Mystiske røntgenlinjer i jern bliver fremmede med højpræcisionsmålinger

To fremtrædende røntgenstråleemissionslinjer af højt ladet jern har undret astrofysikere i årtier, fordi deres målte og beregnede lysstyrkeforhold altid er uenige. Dette hindrer gode bestemmelser af plasmatemperaturer og tætheder. Ny, omhyggelige højpræcisionsmålinger, sammen med beregninger på topniveau, udelukker nu alle hidtil foreslåede forklaringer på denne uoverensstemmelse, og dermed uddybe problemet.

Varme astrofysiske plasmaer fylder det intergalaktiske rum, og skinner klart i stjernekoronaer, aktive galaktiske kerner, og supernova-rester. De indeholder ladede atomer (ioner), der udsender røntgenstråler, der kan observeres af satellitbårne instrumenter. Astrofysikere har brug for deres spektrallinjer for at udlede parametre som plasmatemperaturer eller grundstofoverflod. To af de lyseste røntgenlinjer opstår fra jernatomer, der har mistet 16 af deres 26 elektroner, Fe ¹⁶⁺ ioner - også kendt i astrofysikken som Fe XVII. Jern er ret rigeligt i universet; den lader stjerner, der ligner vores sol, brænde deres brintbrændstof meget langsomt i milliarder af år ved næsten at stoppe energien, der strømmer som stråling fra den brændende fusionskerne til, til sammenligning kun mildt varm, stjernernes overflade.

I mere end fyrre år, Røntgenastronomer har været generet af et alvorligt problem med de to nøgle Fe ¹⁶⁺ linjer:forholdet mellem deres målte intensiteter er væsentligt uenig i teoretiske forudsigelser. Dette gælder også for laboratoriemålinger, men usikkerheden i eksperimentet og teorien har været for stor til at løse problemet.

Et internationalt hold på 32 forskere ledet af grupper fra Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) og NASA Goddard Space Flight Center har netop offentliggjort resultatet af deres fornyede massive indsats for at løse denne uoverensstemmelse. De har udført begge de hidtil rapporterede højeste opløsningsmålinger, og adskillige kvanteteoretiske beregninger på topniveau.

Steffen Kühn, Ph.d. elev på MPIK og ansvarlig for opsætningen, beskriver indsatsen:"At resonant excitere højt ladede jernioner, vi genererer dem løbende med vores kompakte mobile elektronstråle-ionfælde (PolarX-EBIT) og bestråler dem med røntgenstråler fra PETRA III-synkrotronen hos DESY. Vi finder resonans med linjerne ved at scanne synkrotronenergien over det område, hvor de skulle optræde og observere fluorescenslyset. For at håndtere det eksperimentelle dataflow, vi havde kolleger fra 19 institutioner, der arbejdede hos DESY, og omhyggeligt at analysere og krydstjekke resultater i mere end et år."

For at sikre, at alt er konsistent, forskerne kombinerede tre forskellige måleprocedurer for at bestemme intensitetsforholdet mellem de to Fe ¹⁶⁺ linjer, kaldet 3C og 3-D. Først, samlede scanninger afslørede linjepositioner, bredder og intensiteter. Sekund, eksperimentalisterne indstiller energien af ​​røntgenfotonerne til at matche det maksimale fluorescensudbytte, mens de cyklisk slukker og tænder for fotonstrålen for at slippe af med den stærke baggrund. Tredje, de scannede linjerne igen, men at bruge on-off tricket på samme tid for at reducere instrumentelle effekter. "Denne måde, vi kunne udlede den i øjeblikket mest nøjagtige værdi af lysstyrkeforholdet, og dette med ti gange højere spektral opløsning end tidligere arbejde, " siger Chintan Shah, NASA postdoc.

"Og egenskaberne ved PETRA III-strålen undgik mulige ikke-lineære effekter afhængigt af strømmen af ​​synkrotronfotoner, der kan have påvirket tidligere målinger, tilføjer Sven Bernitt, forsker ved Helmholtz Instituttet Jena. Bemærkelsesværdigt, det resulterende intensitetsforhold bekræfter tidligere astrofysiske og laboratoriemålinger med meget reduceret usikkerhed.

Teorihold omkring Natalia Oreshkina ved MPIK, fra Australien, USA og Rusland anvendte tre uafhængige relativistiske kvanteteoretiske metoder i meget stor skala, lade klynger af hundredvis af processorer køre varme i uger. Dette beregningsmaraton leverede ensartede resultater med høj numerisk præcision. Imidlertid, mens den beregnede energiforskel mellem de to linjer stemmer godt overens med den målte værdi, intensitetsforholdet afviger klart fra forsøgsresultatet. "Der er ingen andre kendte kvantemekaniske effekter eller numeriske usikkerheder at overveje inden for vores tilgange, " siger Marianna Safronova, professor ved University of Delaware.

Dermed, årsagen til uoverensstemmelsen mellem de eksperimentelle og teoretiske intensitetsforhold for 3C- og 3-D-linjerne af Fe ¹⁶⁺ forbliver forvirrende, da også alle effekter, der kunne forstyrre målingerne, så vidt muligt blev undertrykt, og den resterende usikkerhed forstået. Som en konsekvens, astrofysiske parametre udledt på basis af røntgenstråleintensiteter er, til en vis grad, usikker. Selvom dette er utilfredsstillende, "det nye nøjagtige eksperimentelle resultat kan umiddelbart bruges til at empirisk korrigere de astrofysiske modeller, "siger Maurice Leutenegger, også en NASA -forsker.

"Kommende rummissioner med avanceret røntgeninstrumentering, såsom ESA's Athena X-ray Observatory, vil snart begynde at sende en utrolig strøm af højopløsningsdata til jorden, og vi skal være parate til at forstå det og presse den maksimale værdi ud af disse milliardinvesteringer."