Würden die Emissionslinien einer sehr weit entfernten Galaxie nicht viele Spuren schwererer Elemente zeigen, da dieser Teil des Universums sehr jung war?

Die kurze Antwort ist ja, aber die längere Antwort ist komplexer. Es gibt einen allgemeinen Trend, dass weiter entfernte Galaxien ärmer an Metallen sind. Allerdings gibt es in einer solchen Beziehung eine große Streuung, da das Alter nicht der einzige wichtige Parameter ist.

Abbildung 1, entnommen aus Maolino & Mannuci (2018) , aber ursprünglich in Zahid et al. (2014) zeigt den allgemeinen Trend, dass in wohldefinierten Rotverschiebungsproben weiter entfernte Galaxien gleicher Masse ärmer an Metallen sind. dh Sie müssen Galaxien ähnlicher Masse vergleichen. Dies ist wichtig, da Galaxien wahrscheinlich aus kleineren Bausteinen aufgebaut sind und die durchschnittliche Galaxie in der Vergangenheit kleiner ist als die durchschnittliche Galaxie von heute und die Gesamtmasse einer Galaxie eine Rolle zu spielen scheint (oder vielleicht die Verschmelzung kleiner Galaxien eine Rolle spielt). ) bei der Erzeugung von Sternentstehung und Metallanreicherung.

Abbildung 1: Die Abhängigkeit der Sauerstoffhäufigkeit (auf einer logarithmischen Skala und als Stellvertreter für die Metallizität) von der Galaxienmasse für Proben bei zunehmender Verschiebung. Die Daten wurden in Massen zusammengefasst, wodurch ziemlich reibungslose Beziehungen hergestellt wurden. (Aus Zahid et al. 2014 ).

Studien zu höheren Rotverschiebungen durchzuführen ist aus mehreren Gründen schwierig. Die Galaxien sind schwach und eine angemessene Diagnostik der Metallizität, die konsistent über einen weiten Bereich von Rotverschiebungen beobachtet werden kann, ist schwer zu finden. Darüber hinaus ist es wichtig, wo in einer Galaxie Sie die Messung vornehmen, da es innerhalb einer Galaxie Gradienten der Metallizität gibt. Beobachtungen von unaufgelösten, weit entfernten Galaxien lassen sich nur schwer mit näheren Galaxien vergleichen, insbesondere wenn aufgrund der unterschiedlichen Rotverschiebungen unterschiedliche Tracer verwendet werden.

Einige Fortschritte können durch die Untersuchung von gedämpften Lyman-Alpha-Absorbern (DLAs) erzielt werden – Wolken aus Gas/sich bildenden Galaxien, die entlang von Sichtlinien zu Quasaren mit sehr hoher Rotverschiebung zu sehen sind. Einige von ihnen haben sehr geringe abgeleitete Metallhäufigkeiten (bei Rotverschiebungen fast bis zu einem Tausendstel der Sonne).$>3$) und was vorhanden ist, scheint angereichert an den "Alpha-Elementen" (O, Mg, Si) zu sein, die hauptsächlich von kurzlebigen massereichen Sternen und ihren Typ-II-Supernovae-Explosionen produziert werden. Abbildung 2, entnommen aus Berg et al. (2016) , zeigt die logarithmischen Metallhäufigkeiten (in Bezug auf die Sonne) einer Reihe von DLAs aus ihrer Arbeit und der Literatur.

Abbildung 2: Die Metallizitäten (ermittelt aus einer Vielzahl von Diagnostika) für einzelne gedämpfte Lyman-Alpha-Absorbersysteme als Funktion ihrer Rotverschiebung (aus Berg et al. 2016 ).

Ein Problem bei dem Versuch, die allerersten Anfänge der Sternentstehung und Metallanreicherung aufzuklären, besteht darin, dass es tendenziell massive Sternentstehung ist, die es möglich macht, eine Galaxie zu sehen. Und weil die ersten Phasen der Anreicherung durch die ersten kurzlebigen massereichen Sterne und ihre Supernovae schnell sind, ist es schwierig, Galaxien „auf frischer Tat“ zu erwischen. Daher denke ich, dass die Antwort auf Ihre Frage darin besteht, dass die Beobachtungen von Galaxien mit sehr hoher Rotverschiebung ($z>5$), wo wir hoffen könnten, die Anreicherung mit Metallen zu sehen, sind noch nicht gut genug, um diese Entwicklung zu verfolgen.

Hier soll das James Webb Space Telescope (JWST) einen wesentlichen Beitrag leisten. Seine Mittelinfrarot-Spektroskopie kann Metallizitätsindikatoren in fernen Galaxien untersuchen$z>5$ unter Verwendung von Diagnoseverfahren bei denselben Ruhesystem-Wellenlängen , die von optischen/nah-IR-Teleskopen bei geringeren Rotverschiebungen (z. B. die optischen OIII- und NII-Restsystem-Emissionslinien) und mit ausgezeichneter räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit (siehe z. B. diesen Science Case „ white Papier" ).

Dies ist eine sehr interessante Frage, da der Sternentyp, den Sie in Betracht ziehen, Sterne der Population III genannt wird . Diese Sterne sind eine hypothetische Population, die 1978 hinzugefügt wurde, und sie sollten keine schweren Metallelemente aufweisen. Es wird angenommen, dass solche Sterne eine sehr hohe Masse haben, ab 100 Sonnenmassen, und sehr hell sind. Das Vorhandensein dieser Sterne der Population III wird aus kosmologischen Beobachtungen abgeleitet, aber sie wurden nicht direkt nachgewiesen.