The chemical evolution of galaxies in semi-analytic models and observations

The chemical compositions of the stars and gas in galaxies play a significant role in all their key evolutionary processes, from gas cooling, through star formation, to the production of new heavy elements that are released back into the gas as stars die in supernova explosions. A theoretical explanation of the production of elements heavier than helium (known simply as `metals' in astrophysics) in stars and its distribution throughout galaxies has been developing since the first postulation of stellar nucleosynthesis in the 1920s. However, there are still a number of unanswered questions in the field of galactic chemical evolution (GCE). For example, what is the most accurate way to measure the metallicities in galaxies? What are the relative contributions to GCE from different types of stars? How is this metal-rich material circulated throughout the various components of a galaxy? And how can we explain the seemingly incompatible chemical properties observed in different galaxies in the local Universe? This thesis provides an investigation into the chemical enrichment of galaxies, by utilising both observations of nearby galaxies and sophisticated GCE models within a semi-analytic model of galaxy evolution. Its core aims are a) to better quantify the chemical properties seen in low-redshift galaxies and explain there likely causes, and b) to develop an improved GCE model that can simultaneously reproduce the diverse chemical properties seen in different types of galaxies in the local Universe. With these aims in mind, Chapter 1 outlines the key background knowledge required for such an investigation. It discusses the different methods used for measuring the metallicity of real galaxies, and their various shortcomings. It also describes simple, analytic GCE models, and the sophisticated semi-analytic model, L-Galaxies, that is used to simulate galaxy evolution in detail. In Chapters 2 and 3, I provide an investigation into the relation between stellar mass (M*), star formation rate (SFR), and gas-phase metallicity (Zg) in galaxies. It is shown that the L-Galaxies model reproduces the positive correlation between SFR and Zg in massive galaxies that is seen when using sophisticated, theoretical metallicity diagnostics. This lends support to the use of such diagnostics over simpler, emission-line ratios. It is further shown that, in the semi-analytic model, this SFR-Zg correlation is due to the gradual dilution of the gas in low-SFR, elliptical galaxies, after a gas-rich merger event. A number of signatures of this particular evolution can be seen in these model galaxies at redshift zero, including low gas fractions and low values of (Zg-Z*). Crucially, all of these properties are also seen in nearby elliptical galaxies in the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), providing indirect evidence that such an evolutionary process is also occurring in the elliptical galaxy population in the real Universe. In Chapter 4, I present a new, sophisticated GCE model implemented into L-Galaxies, that significantly improves on the previous scheme. It does this by accounting for the delayed enrichment of many chemical elements from stars, of various initial masses and metallicities, via stellar winds and supernovae. This new scheme enables a much more detailed study of the chemical evolution of galaxies, and enables a comparison with a larger range of observational data. In Chapter 5, I demonstrate that this new model is able to simultaneously reproduce the chemical properties observed in a) the gas of local, star-forming galaxies, b) the photospheres of G dwarfs in the Milky Way disc, and c) the integrated stellar populations of nearby elliptical galaxies. Furthermore, the model is able to do this without any significant deviation from the standard framework of galaxy formation in the canonical paradigm of hierarchical structure formation. This can be seen as a significant achievement, which has allowed us to form a much more comprehensive view of GCE than was possible before.In den entscheidenden Entstehungsprozessen von Galaxien spielt die chemische Zusammensetzung von Sternen und Gas eine bedeutende Rolle: Von der Gaskühlung über die Sternentstehung bis hin zur Produktion neuer schwerer Elemente, die ins Gas zurückgegeben werden, wenn Sterne in Supernovae-Explosionen sterben. Eine theoretische Erklärung der Produktion von schwerer Elementen in Sternen sowie deren Verteilung in Galaxien wurde seit der ersten Erklärung der stellaren Nukleosynthese in den 1920ern entwickelt. Dennoch gibt es immer noch eine Reihe offener Fragen auf dem Gebiet der chemischen Galaxienentwicklung (galactic chemical evolution - GCE). Zum Beispiel: Was ist die genaueste Methode um die Metallizität von Galaxien zu messen? Welches sind die verhältnismäßigen Anteile der GCE bei unterschiedlichen Sternarten? Wie ist das metallreiche Material innerhalb der verschiedenen Teile einer Galaxie verteilt? Wie können wir die scheinbar inkompatiblen chemischen Eigenschaften erklären, die in verschiedenen Galaxien der kosmischen Nachbarschaft beobachtet werden? Diese Doktorarbeit untersucht die chemische Anreicherung von Galaxien in zweierlei Hinsicht: Es werden sowohl Beobachtungen naher Galaxien, als auch differenzierte GCE-Modelle im Rahmen eines semi-analytischen Galaxienentwicklungsmodells verwendet. Folgende Ziele hat die Arbeit: a) Sie soll die chemischen Eigenschaften von Galaxien mit niedriger Rotverschiebung quantifizierbar machen und mögliche Ursachen erklären. b) Es soll ein verbessertes GCE-Modell entwickelt werden, das die verschiedenen chemischen Eigenschaften abbildet, die in den Galaxien der kosmischen Nachbarschaft beobachtet werden können. Aufbauend auf dieser Zielsetzung wird in Kapitel 1 das nötige Hintergrundwissen erläutert, das für das Verständnis der Untersuchung wichtig ist. Dabei geht es um die verschiedenen Messmethoden zur Feststellung der Metallizität echter Galaxien sowie deren Schwächen. Neben einfachen analytischen GCE-Modellen werden auch die semi-analytischen Modelle, L-Galaxies beschrieben. In den Kapiteln 2 und 3 erläutere ich den Zusammenhang von stellar mass (M*), star formation rate (SFR) und der gas-phase metallicity (Zg) in Galaxien. Es zeigt sich, dass das L-Galaxies-Modell den positiven Zusammenhang zwischen SFR und Zg in massiven Galaxien abbildet. Dieser wird auch deutlich, wenn theoretische Metallizitätsdiagnosen zur Anwendung kommen statt einfacherer Diagnosen. Außerdem wird gezeigt, dass im semi-analytischen Modell die Wechselwirkung von SFR-Zg auf eine allmähliche Verdünnung des Gas in elliptischen Galaxien zurückzuführen ist, die nach dem Verschmelzen zweier gas-reicher Galaxien SFR-arm sind. Einige Merkmale dieser besonderen Entstehung, wie beispielsweise eine niedrige Gasfraktion und niedrige (Zg-Z*), können auch in den besagten Modellgalaxien gesehen werden. Entscheidend ist außerdem, dass all diese Eigenschaften auch im Rahmen der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in nahe gelegenen elliptischen Galaxien beobachtet werden. Das ist ein indirekter Beweis dafür, dass es diese Art von evolutionärem Entstehungsprozess tatsächlich in den elliptischen Galaxien unseres Universums gibt. In Kapitel 4 stelle ich ein neues, differenziertes GCE-Modell vor, das in L-Galaxies implementiert wurde. Es ist besser als sein Vorgänger, da es die durch Sternenwinde und Supernoven verzögerte Anreicherung vieler chemischer Elemente von verschiedenen Sternen berücksichtigt. Das neue Modell erlaubt also zum einen eine detailliertere Betrachtung der chemischen Entstehung von Galaxien und zum anderen macht es den Vergleich einer größeren Bandbreite von Beobachtungsdaten möglich. In Kapitel 5 erläutere ich schließlich, dass das neue Modell gleichzeitig die chemischen Eigenschaften reproduzieren kann, die an folgenden Stellen beobachtet werden: a) im Gas lokaler, sternbildender Galaxien. b) in den Photosphären von G-Zwergen auf der Milchstraßen . c) den integrierten Sternenpopulationen elliptischer Galaxien in der Nachbarschaft. Hinzu kommt, dass es das Modell ermöglicht, all dies zu tun, ohne dabei vom Standardrahmen abzuweichen, den unser kanonisches Verständnis der Galaxienentwicklung bildet. Diese bedeutende Errungenschaft macht es uns jetzt möglich, GCE in einem wesentlich umfassenderen Rahmen zu betrachten