Астрономы могут использовать марганец для определения возраста галактик

Фото из открытых источников

Отслеживать время во Вселенной — сложная задача. Она постоянно развивается и меняется, и изучение событий, произошедших миллиарды лет назад, хотя и возможно, отнюдь не просто. Недавняя статья в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, опубликованная астрономами из Университета штата Огайо, открыла совершенно новый способ определения времени в пространстве с помощью нового, возможно, неожиданного элемента — марганца.

Это не значит, что астрономы отслеживают куски серебристого железа, плавающие во Вселенной. Они изучают конкретно ионизированную газообразную форму относительно распространенного элемента, известного в научной литературе как [Mn III]. Так почему же он так полезен в качестве «хронометра» для Вселенной?

Марганец сам по себе относится к семейству железа, но встречается в 100 раз реже, чем его более известный родственник, в честь которого, кстати, названа целая эпоха человеческой цивилизации. Кроме того, марганец плохо виден в традиционных спектральных линиях, ярко светясь в ультрафиолетовом свете, который трудно обнаружить с поверхности Земли. Поэтому ученые редко использовали его для изучения остатков сверхновых или «космических облаков» газа и пыли, известных как области H II.

Но они знали, что на фундаментальном физическом уровне это возможно. По крайней мере, согласно теории, марганец должен светиться на поздних стадиях остатка сверхновой. Но никто никогда не удосужился разобраться в физических принципах использования этого свечения в качестве научного инструмента.

Чтобы понять, почему они могут быть полезны в качестве научного инструмента, лучше всего начать с понимания их происхождения. Как сказал Карл Саган, все мы состоим из звездной пыли, и марганец, играющий критически важную роль в биологии человека, не является исключением. Существует два типа сверхновых, в результате которых образуются «тяжелые» элементы с атомными номерами больше, чем у железа. Сверхновые типа II возникают, когда сверхмассивные, короткоживущие звезды взрываются всего через миллионы лет после своего рождения. Сверхновые типа Ia, с другой стороны, возникают через миллиарды лет после гибели гораздо более стабильных звезд.

Марганец образуется гораздо быстрее в сверхновых типа Ia, а это значит, что с течением времени его становится все больше. В частности, это изменяет соотношение марганца и железа — оно увеличивается с течением времени. Измерение этого соотношения на ранних этапах истории Вселенной позволяет ученым использовать марганец в качестве «хронометра» для отслеживания истории эволюции галактик и звездообразования — при условии, что они смогут увидеть спектральные линии, которые так трудно поглотить с Земли.

Вот тут-то и начинается статья. Исследователи обратились к мощным вычислительным системам, чтобы рассчитать 1421 различных энергетических уровня марганца, сравнив их с существующими атомными базами данных, поддерживаемыми Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Затем они рассчитали 703 различных способа столкновения электронов с атомами марганца и то, как будет выглядеть результирующий свет от этих столкновений. Расширив эти данные на температуры и плотности, обнаруженные в космосе, статья предоставляет набор данных о том, что астрономы могли бы ожидать обнаружить при поиске марганца в ранней Вселенной.

И это как раз вовремя, поскольку некоторые из спектральных линий, отмеченных в статье, находятся в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах — именно в тех спектрах, которые космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) умеет регистрировать. Объединение данных, собранных по марганцу, с другими универсальными «хронометрами» может предоставить еще одну точку данных для подтверждения измерений ученых возраста данной структуры в ранней Вселенной. И по мере того, как у нас появляется все больше и больше мощных новых телескопов, заглядывающих все дальше в прошлое, эти измерительные линейки возраста будут становиться все более важными. Приятно включить спектральные линии, казалось бы, обычного элемента в наш инструментарий для этой работы.