// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Mangan-Linien können die chemische Entwicklung von Galaxien verraten
Kosmische Manganspuren könnten künftig verraten, wie sich Galaxien chemisch entwickelt haben. Neue Atomrechnungen sagen erstmals Emissionslinien von zweifach ionisiertem Mangan voraus, die auf Dichte, Temperatur und Elementhäufigkeit reagieren. Noch sind diese Signale nicht sicher beobachtet, doch einige liegen in Wellenlängenbereichen, die mit modernen Teleskopen erreichbar sind.
Columbus (U.S.A.). Mangan gehört zu den Elementen, die in Sternexplosionen entstehen und sich im Lauf der kosmischen Entwicklung unterschiedlich anreichern. Besonders das Verhältnis von Mangan zu Eisen kann Hinweise auf die Geschichte der Sternentstehung und auf den Beitrag verschiedener Supernova-Typen geben. Bisher wird Mangan dafür vor allem über Absorptionslinien in Sternspektren bestimmt, während Emissionslinien ionisierten Mangans noch nicht als etablierte astrophysikalische Diagnostik genutzt werden.
Forscher der Al-Aqsa University (AQU) um Zher Samak haben nun erstmals systematisch berechnet, welche verbotenen Emissionslinien von zweifach ionisiertem Mangan, kurz Mn III, in heißen Gaswolken auftreten könnten. Die Arbeit zielt darauf, aus solchen Linien künftig Dichte, Temperatur und Manganhäufigkeit in H-II-Regionen, Supernova-Überresten und ähnlichen Nebeln abzuleiten.
„Wenn wir die chemische Zusammensetzung von Galaxien verstehen, können wir mehr über die Chemie von Sternen und ihren Elementen erfahren“, sagt Anil K. Pradhan von The Ohio State University. „Das wird letztlich dazu führen, dass wir die Entwicklung des Universums und die Zusammensetzung von allem darin verstehen.“
Für ihre Berechnungen bestimmten die Forscher zunächst 1.421 Feinstrukturniveaus von Mn III und nahmen die 38 niedrigsten Niveaus anschließend in aufwendige Breit-Pauli-R-Matrix-Rechnungen auf, mit denen sie die Stoßanregung durch Elektronen simulierten. Daraus entstanden Kollisionsstärken für 703 verbotene Übergänge. Ein zusätzliches kollisional-radiatives Modell berechnete, wie stark die zugehörigen Linien bei Elektronentemperaturen zwischen 2.500 und 40.000 Kelvin und bei unterschiedlichen Elektronendichten leuchten sollten.
Entscheidend sind dabei nicht einzelne Linien allein, sondern ihre Intensitätsverhältnisse, von denen einige im Modell nahezu nur mit der Elektronendichte variieren und andere zugleich deutlich auf Temperatur und Dichte reagieren. Werden mehrere solcher Linien gemeinsam gemessen, könnten Astronomen beide Größen voneinander trennen und zugleich die Manganhäufigkeit in dem beobachteten Gas besser eingrenzen.
„Raum und Zeit hängen zusammen, daher kann uns die Messung von Manganhäufigkeiten Einblicke in die sich ständig ausdehnende Natur des Universums geben“, sagt Pradhan. „Indem wir diese Emissionsliniendaten mit anderen bekannten Fakten zu wichtigen Elementen wie Sauerstoff und Schwefel kombinieren, könnten wir einige der frühesten beobachtbaren Epochen in der Geschichte des Universums betrachten.“
Besonders geeignet erscheinen zwei berechnete Linienverhältnisse im ultravioletten und mittleren infraroten Bereich, die über einen großen Temperaturbereich nahezu unabhängig von der Temperatur bleiben, sowie zwei weitere Verhältnisse, die deutlich auf beide Größen reagieren. Dazu gehören Linien bei etwa 4,33 bis 4,40 Mikrometern, die grundsätzlich im Messbereich des James-Webb-Weltraumteleskops liegen und in Kombination eine neue Diagnostik für weit entfernte Gaswolken ermöglichen könnten.
Für die chemische Entwicklung von Galaxien ist vor allem das Verhältnis von Mangan zu Eisen interessant, weil Mangan im Vergleich zu Eisen besonders effizient in neutronenreichen Typ-Ia-Supernovae erzeugt wird. Diese Explosionen treten typischerweise später auf als Kernkollaps-Supernovae massereicher Sterne, weshalb das Mn/Fe-Verhältnis im Verlauf der Galaxienentwicklung ansteigt und als zeitlicher Marker dienen kann. Verlässliche Mangan-Emissionslinien könnten dieses Verhältnis deshalb auch in Gas messen, das mit bisherigen Methoden schwer zugänglich ist.