Nuvens de gás com massas muito superiores a 103M⊙são abundantes em galáxias; a típica nuvem formadora de estrelas (as chamadas nuvens moleculares ) tem massas de103M⊙ para 107M⊙. Quando os quasistares (estrelas hipotéticas alimentadas não pela fusão nuclear, mas pela acumulação em um buraco negro central) não podem existir hoje em dia, é porque todo o gás no Universo ficou poluído com metais.
Estrelas se formam a partir de nuvens de gás em colapso. Para que uma região de uma nuvem entre em colapso, ela deve ser suficientemente densa e suficientemente fria; se estiver muito diluído, não há gravidade suficiente e, se estiver muito quente, a energia dos átomos individuais neutraliza o colapso, fazendo os átomos escaparem.
Massa de jeans
Este critério é capturado na equação de instabilidade de Jeans . A relação pode ser expressa de várias maneiras; Uma maneira é dizer que a massa da nuvem - ou uma pequena região dela - deve exceder a "massa Jeans":
Mcloud≳MJ≃3×104T3/2n1/2M⊙,
where
T (in
K) and
n (in
cm−3) are the temperature and the number density of the gas.
From this equation you see that the cooler the gas is, the smaller the threshold. In other words, the smaller stars you can form. If the gas is not able to cool, only the largest clumps will collapse, and hence such stars will be very massive.
Gas cooling
So, how does the gas cool? Hot gas means that the particles have large velocities. If the particles collide, they may excite each other, bringing an electron to a higher state at the expense of slowing down — i.e. cooling. When the electron de-excites, a photon is emitted, which may leave the system. Thus, the kinetic energy of the atoms is converted into electromagnetic energy which escapes.
However, an electron is only excited if the energy of the collision matches closely the energy needed for the excitation. If the collisional energy is too high, or too low, the atoms simply bounce off of each other, maintaining their total energy (although one may transfer some energy to the other).
The effect of metals
If the gas consists only of hydrogen and helium, there are only a few available energies for excitation. Hydrogen happens to be able to cool efficiently around T∼104K, while helium cools efficiently around T∼105K, but at other temperatures, the gas tends to stay at its given temperature.
However, as soon as there a some metals, the many electrons of these metals, with their many possible transitions, allow for atoms with many possible energies to be excited. Thus, before a gas cloud of M∼103M⊙ collapses to form a 103M⊙ star, it will fragment into smaller pieces, forming smaller stars.