¿Las líneas de emisión de una galaxia muy lejana no mostrarían muchos rastros de elementos más pesados ​​ya que esa parte del universo era muy joven?

La respuesta corta es sí, pero la respuesta larga es más compleja. Existe una tendencia general de que las galaxias más distantes son más pobres en metales. Sin embargo, existe una gran dispersión en tal relación porque la edad no es el único parámetro importante.

Figura 1, tomada de Maolino & Mannuci (2018) , pero originalmente aparecida en Zahid et al. (2014) muestra la tendencia general de que, en muestras de corrimiento al rojo bien definidas, las galaxias más distantes de la misma masa son más pobres en metales. es decir, tienes que comparar galaxias de masa similar. Esto es importante porque las galaxias probablemente se construyen a partir de bloques de construcción más pequeños y la galaxia promedio en el pasado es más pequeña que la galaxia promedio ahora y la masa total de una galaxia parece jugar un papel (o tal vez las fusiones de galaxias pequeñas juegan un papel). ) en la generación de formación de estrellas y enriquecimiento de metales.

Figura 1: La dependencia de la abundancia de oxígeno (en una escala logarítmica y como indicador de la metalicidad) en la masa de la galaxia para muestras en un cambio de turno creciente. Los datos se han agrupado en masa produciendo relaciones bastante fluidas. (De Zahid et al. 2014 ).

Llevar los estudios a corrimientos al rojo más altos es difícil por varias razones. Las galaxias son débiles y los diagnósticos adecuados de la metalicidad, que se pueden observar consistentemente en una amplia gama de desplazamientos al rojo, son difíciles de encontrar. Además, es importante en qué parte de la galaxia realiza la medición, ya que hay gradientes de metalicidad dentro de una galaxia. Las observaciones de galaxias distantes no resueltas pueden ser difíciles de comparar con galaxias más cercanas, especialmente si se utilizan diferentes trazadores debido a los diferentes desplazamientos al rojo.

Se pueden lograr algunos avances estudiando los absorbentes Lyman alfa amortiguados (DLA): nubes de gas/galaxias en formación vistas a lo largo de las líneas de visión hasta cuásares de desplazamiento al rojo muy alto. Algunos de estos tienen abundancias de metales inferidas muy bajas (casi hasta una milésima parte de la solar en corrimientos al rojo).$>3$) y lo que está presente parece más enriquecido en los "elementos alfa" (O, Mg, Si) que son producidos principalmente por estrellas masivas de vida corta y sus explosiones de supernovas de tipo II. Figura 2, tomada de Berg et al. (2016) , muestra las abundancias logarítmicas de metales (con respecto al Sol) de un conjunto de DLA de su trabajo y la literatura.

Figura 2: Las metalicidades (determinadas a partir de una variedad de diagnósticos) para sistemas absorbentes Lyman alfa amortiguados individuales en función de su corrimiento al rojo (de Berg et al. 2016 ).

Un problema al tratar de resolver los comienzos mismos de la formación de estrellas y el enriquecimiento de metales es que tiende a ser la formación de estrellas masivas lo que hace posible ver una galaxia. Y debido a que las primeras etapas de enriquecimiento, causadas por las primeras estrellas masivas de vida corta y sus supernovas, son rápidas, es difícil atrapar galaxias "en el acto". Por lo tanto, creo que la respuesta a su pregunta es que las observaciones de galaxias con desplazamiento al rojo muy alto ($z>5$) donde podríamos esperar ver los comienzos del enriquecimiento con metales aún no son lo suficientemente buenos para rastrear esta evolución.

Esta es un área donde se espera que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) haga una contribución significativa. Su espectroscopia de infrarrojo medio puede sondear indicadores de metalicidad en galaxias distantes con$z>5$ utilizando diagnósticos en las mismas longitudes de onda del marco de reposo que son probados por telescopios ópticos/de IR cercano a desplazamientos al rojo más bajos (por ejemplo, las líneas de emisión óptica del marco de reposo OIII y NII) y con una resolución y sensibilidad espacial excelentes (por ejemplo, consulte este Caso científico " blanco papel" ).

Esta es una pregunta muy interesante porque el tipo de estrellas que está considerando se llama estrellas de Población III . Estas estrellas son una población hipotética añadida en 1978 y no deberían presentar elementos pesados ​​metálicos. Se supone que tales estrellas tienen una masa muy alta, de 100 masas solares, y muy luminosas. La presencia de estas estrellas de la población III se infiere a partir de observaciones cosmológicas, pero no se han detectado directamente.