Когда звезда заканчивает жизнь мощным взрывом в стадии сверхновой, в ее недрах образуются тяжелые элементы: железо, марганец и другие металлы. Именно такие взрывы обогащают галактики веществом, из которого потом формируются новые звезды и планеты. Марганец в этом наборе играет особую роль. Его количество во Вселенной со временем растет, поэтому по его содержанию можно судить, насколько зрелой является та или иная галактика.
«Пространство и время связаны, поэтому, измеряя количество марганца, мы можем лучше понимать постоянно расширяющуюся Вселенную», — объясняет соавтор исследования, профессор астрономии Университета штата Огайо Аннил Прадхан.
Чтобы превратить марганец в своего рода «космические часы», ученые смоделировали, как электроны взаимодействуют с его ионами в раскаленных космических газах — туманностях и оболочках сверхновых. В результате этих столкновений ионы испускают свет на строго определенных длинах волн — так называемые эмиссионные линии.
Авторы работы проанализировали более 700 потенциальных линий и выяснили, какие из них особенно чувствительны к изменению температуры и плотности газа. Оказалось, что некоторые сигналы марганца резко меняются при небольших изменениях условий среды. Это делает их удобным инструментом для изучения быстро расширяющихся объектов, например остатков сверхновых и больших облаков газа.
Расчет такого набора слабых линий вручную занял бы годы, поэтому авторы работы использовали мощные вычислительные системы и методы атомной физики. Пока их результаты носят теоретический характер, но, как отмечает Прадхан, в сочетании с реальными наблюдениями они помогут «заглянуть» в самые ранние эпохи существования Вселенной, особенно если объединить данные по марганцу с уже хорошо изученными элементами — кислородом и серой. «Мы узнаем все больше о том излучении, которое раскрывает форму Вселенной, — говорит он. — Наша работа объединяет астрофизику, атомную физику и физику плазмы, и мы на пороге открытия множества новых процессов».
Проверять предсказания ученые планируют с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» и наземных обсерваторий, которые могут различать тонкие химические различия в излучении далеких объектов. Все полученные авторами исследования атомные данные будут доступны другим группам — это должно ускорить поиск новых химических маяков во Вселенной и помочь не только восстановить ее прошлое, но и лучше представить ее химическое будущее.
Ранее в архивах «Джеймса Уэбба» нашли объекты из ранней Вселенной.