Quan sát phổ sao cho thấy rằng các sao tuổi già hơn Mặt Trời có ít nguyên tố nặng hơn so với Mặt Trời.[3] Điều này gợi ý ngay rằng độ kim loại đã tiến hóa qua các thế hệ sao bằng quá trình tổng hợp hạt nhân sao.

Sự hình thành của các sao đầu tiên

Theo các mô hình vũ trụ học hiện tại, tất cả vật chất được tạo ra từ Big Bang phần lớn là hydro (75%) và heli (25%), với chỉ một phần rất nhỏ chứa các nguyên tố nhẹ khác như lithi và beryli.[8] Khi vũ trụ trở nên đủ nguội, các sao đầu tiên được tạo ra là các sao quần thể III, và không chứa tạp chất của bất kỳ nguyên tố nặng hơn nào. Điều này được giả định là đã ảnh hưởng đến cấu trúc của chúng, sao cho khối lượng của các sao này lên tới hàng trăm lần khối lượng của Mặt Trời. Sau này, các sao siêu khối lượng này cũng tiến hóa rất nhanh, và các quá trình tổng hợp hạt nhân mà chúng thực hiện đã tạo ra 26 nguyên tố đầu tiên (tới sắt trong bảng tuần hoàn).[9]

Nhiều mô hình lý thuyết sao cho thấy rằng phần lớn các sao khối lượng lớn trong quần thể III nhanh chóng cạn kiệt nguồn nhiên liệu của chúng và có thể đã phát nổ trong các sự kiện siêu tân tinh bất ổn định cặp với năng lượng cực kỳ cao. Những vụ nổ này sẽ phân tán hết vật chất của chúng, giải phóng kim loại vào môi trường liên sao (ISM), để được cấu tạo vào các thế hệ sao sau này. Sự tuyệt diệt của chúng gợi ý rằng không thể có sao khối lượng lớn quần thể III quan sát được trong dải Ngân Hà.[10] Tuy nhiên, một số sao quần thể III có thể được tháy trong các thiên hà có độ dịch chuyển đỏ cao mà ánh sáng từ đó đã bắt nguồn trong một lịch sử sớm hơn của vũ trụ.[11] Các nhà khoa học đã tìm ra bằng chứng của một ngôi sao cực nhỏ và nghèo kim loại, nhỏ hơn một ít so với Mặt Trời, được tìm thấy trong một hệ sao đôi thuộc vùng nhánh xoắn ốc của Ngân Hà. Khám phá này mở ra khả năng quan sát thấy các sao thậm chí già hơn.[12]

Các sao khối lượng quá lớn để sinh ra các siêu tân tinh bất ổn định cặp có thể sẽ co lại và trở thành các lỗ đen bằng một quá trình được gọi là quang phân rã. Ở đây một số vật chất có thể thoát ra trong quá trình này dưới dạng các tia hay dòng phun tuơng đối tính, và hiện tượng này có thể đã phân bố các kim loại đầu tiên vào không gian của vũ trụ.[13][14][lower-alpha 1]

Sự hình thành của các sao quan sát được

Các sao quan sát được đầu tiên,[10] được gọi là quần thể II, có độ kim loại rất thấp;[16][6] do là thế hệ sao được sinh ra sau này, chúng trở nên giàu hơn về kim loại, bởi vì các đám mây chứa khí mà chúng hình thành nhận được lượng bụi giàu kim loại được sản xuất bởi các thế hệ trước. Khi các sao này chết đi, chúng trả lại vật chất giàu kim loại vào môi trường liên sao qua các tinh vân hành tinh và vụ nổ siêu tân tinh, làm giàu hơn các tinh vân mà các sao mới hơn hình thành. Các sao trẻ nhất này, bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta, do đó có hàm lượng kim loại cao nhất, và được gọi là các sao quần thể I.