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Abstract

The first stars in the Universe mark the beginning of the epoch referred to as Cosmic Dawn. Due to their metal-free nature, they are believed to be distinctively different from present- day stars. While they are considered to be important in shaping the early Universe, little is known about their properties. This thesis addresses several indirect methods of constraining these properties, with a particular focus on the transition from metal-free to metal-enriched star formation. To this end, I employ and develop a variety of analytical estimates, semi- analytical models and a numerical simulation. By analysing the non-detection of metal-free stars, I confirm that these stars must on average have been far more massive than present- day stars. An analytical model and a careful review of numerical simulations demonstrate that the interaction between the first supernovae and their ambient medium is key to un- derstanding the most metal-poor stars known today. With a simulation of the massive metal-free stars exploding as pair-instability supernovae, I highlight the tension implied by the non-detection of their nucleosynthetic fingerprint. Finally, I use a semi-analytical model to reveal the sensitivity of future 21 cm absorption detections to the time-delay between the first supernovae and the second generation of stars. The results, tools, and methods of this thesis will find application in future theoretical studies and in the analysis of upcoming observations.

Translation of abstract (German)

Die ersten Sterne im Universum entstanden am Anfang der Epoche die als kosmische Däm- merung bekannt ist. Da sie von Natur aus metallfrei sind, wird angenommen, dass diese Sterne sich stark von den heutigen Sternen unterscheiden. Obwohl sie einen wichtigen Ein- fluss auf das frühe Universum ausüben, ist nur wenig über ihre Eigenschaften bekannt. In dieser Arbeit werde ich mehrere unterschiedliche Methoden verwenden um ihre Eigen- schaften durch Beobachtungen einzugrenzen. Der Fokus liegt dabei auf dem Übergang von metallfreier zu mit metallen angereicherter Sternentstehung. Zu diesem Zweck werden analytische Abschätzungen, semi-analytische Modelle sowie eine numerische Simulation en- twickelt und eingesetzt. Durch Analyse der bisherigen Nichtbeobachtung metallfreier Sterne bestätige ich, dass sie im Durchschnitt viel massereicher waren als heutige Sterne. Ein an- alytisches Modell und eine gründliche Auswertung vorhandener Simulationen unterstreicht, dass die Interaktion zwischen den ersten Supernovae und ihrer Umgebung eine zentrale Rolle im Verständnis heutiger metallarmer Sterne spielt. Eine Simulation massereicher metall- freier Sterne und deren Paarinstabilitätssupernovae unterstreicht die Diskrepanz zwischen Modellen dieser Supernovae und der Nichtbeobachtung des vorhergesagten nukleosynthetis- chen Fingerabdrucks. Mit einem semi-analytischen Modell entdecke ich, dass zukünftige 21 cm Absorptionsbeobachtungen Hinweise auf den zeitlichen Abstand der ersten Super- novae und der zweiten Sternengeneration enthalten werden. Die Ergebnisse, Methoden und Werkzeuge die in dieser Arbeit entwickelt wurden werden in zukünftigen theoretischen Modellen und in der Analyse neuer Beobachtungsdaten Anwendung finden.