_ Analiza cu raze X fără îndoială: Enigma de patru decenii a razelor X cosmice a fost rezolvată

O echipă internațională condusă de Heidelberg MPl pentru fizică nucleară a rezolvat o problemă de zeci de ani în astrofizică printr-un experiment de înaltă precizie.

Raporturile de intensitate ale liniilor de radiație importante ale fierului măsurate în laborator au deviat anterior de la cele calculate și, astfel, a existat incertitudine cu privire la stările gazelor foarte fierbinți derivate din spectrele de raze X, cum ar fi în coroana solară sau vecinătatea găurilor negre.

Cu noile date experimentale, acum s-a atins acordul cu teoria. Aceasta înseamnă că datele cu raze X de la telescoapele spațiale pot fi analizate în viitor cu un grad ridicat de încredere în modelele atomice din spatele lor.

Gaz foarte fierbinte, cum ar fi cel existent în coroana soarelui sau în imediata apropiere a găurilor negre, emite radiații intense cu raze X. Ea dezvăluie ce condiții fizice, cum ar fi temperatura și densitatea, sunt prezente acolo. Dar de zeci de ani, cercetătorii se luptă cu problema dezacordului dintre rapoartele măsurate și cele calculate și, prin urmare, cu parametrii gazului derivat din spectrele de raze X. O echipă internațională condusă de Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară din Heidelberg a rezolvat acum problema printr-un experiment extraordinar de precis.

Aproape tot ceea ce știm despre stelele îndepărtate, nebuloasele de gaz și galaxii se bazează pe analiza lumina pe care o primim de la ei. Mai exact, a undelor electromagnetice, pentru că astronomii au acum la îndemână întregul lor spectru. Intervalul spectral în care un solid sau un gaz radiază cel mai puternic depinde în principal de temperatura acestuia: cu cât este mai fierbinte, cu atât radiația este mai energică.

În spațiu, mai mult de 99% din toată materia vizibilă se află în plasmă. stat; este atât de fierbinte încât atomii au pierdut unul sau mai mulți electroni și apar sub formă de ioni încărcați pozitiv. De exemplu, plasme extrem de fierbinți cu temperaturi de peste un milion de grade sunt prezente în coroana solară vizibilă în timpul unei eclipse totale de soare. Mai mult, ele se găsesc în vecinătatea găurilor negre sau ca gaz intergalactic între galaxii.

Razele X emise de astfel de plasme prezintă amprentele elementelor chimice din interiorul lor. Foarte proeminente sunt liniile spectrale (liniile de emisie) din fierul ionizat multiplicat, în special Fe XVII, care și-a pierdut 16 din cei 26 de electroni inițiali. Motivul: Fierul este comun în rândul elementelor grele, iar Fe XVII este prezent într-un interval larg de temperatură.

Atunci când se analizează un spectru de raze X, se compară nu numai energiile liniilor de emisie, ci și rapoarte de intensitate ale liniilor caracteristice. Pentru a putea trage concluzii despre proprietățile plasmei cosmice, aceste rapoarte de intensitate trebuie să fie bine cunoscute. Este posibil să faceți acest lucru calculându-le teoretic și verificându-le experimental în laborator.

Și tocmai asta a fost problema până acum: calculele mecanice cuantice și rezultatele de laborator ale rapoartelor de intensitate a două linii puternice numite 3C și 3D au deviat unul de celălalt cu aproximativ 20% și au pus sub semnul întrebării înțelegerea noastră a structurii atomice, precum și încrederea în modelele utilizate.

Aceasta nu a fost doar o durere de cap pentru astronomi, ci și pentru fizicienilor, pentru că unde a stat eroarea, în teorie sau în experiment? În urmă cu doi ani, echipa condusă de doctorandul Steffen Kühn de la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară (MPIK) din Heidelberg a efectuat cel mai precis experiment până la acea dată și chiar și atunci a rămas o discrepanță inexplicabilă.

Echipa de teorie MPIK condusă de Natalia Oreshkina și Zoltan Harman, plus Marianna Safronova și Charles Cheung din SUA și Julian Berengut din Australia au condus supercalculatoare la explozie pentru a recalcula liniile de emisie 3C și 3D ale Fe- XVII cu cea mai mare precizie: Discrepanța, precum și întrebarea au rămas: Cine avea dreptate?

„Am fost convinși să avem toate efectele sistematice cunoscute la acea vreme sub control”, își amintește Kühn. Cu toate acestea, într-o ultimă încercare, el și echipa de cercetare condusă de José Crespo au căutat să ajungă la fundul problemei: în loc să măsoare raportul de intensitate al celor două linii, au încercat să măsoare puterea absolută a tranzițiilor individuale, de asemenea numită puterea oscilatorului. Dar pentru a măsura aceste forțe individuale ale liniilor și pentru a identifica răufăcătorul celor două linii în observația teoretică, calitatea datelor de măsurare a trebuit să fie îmbunătățită considerabil.

Pentru această măsurare dificilă, ca parte a lui. teza de doctorat Kühn a folosit un aparat Electron Beam Ion Trap (PolarX-EBIT) care a fost construit în cadrul unui proiect de postdoctorat Sonja Bernitt la MPIK. În interiorul acestuia, ionii de fier sunt produși de un fascicul de electroni și prinși într-un câmp magnetic. Astfel, fasciculul de electroni elimină electronii exteriori ai ionilor de fier până când este prezent Fe XVII dorit. Apoi, ionii de fier prinși sunt iradiați cu raze X de energie adecvată, astfel încât să emită fluorescență. În acest scop, energia incidentă a fotonilor de raze X trebuie să fie variată până când liniile dorite sunt lovite exact.

Deoarece sursele disponibile comercial nu pot produce radiația de raze X necesară, PolarX-EBIT a avut pentru a fi transportat la DESY din Hamburg. Acolo, sincrotronul PETRA III generează un fascicul de raze X a cărui energie poate fi reglată într-un interval de energie specific. În acest fel, ionii de fier sunt excitați să emită raze X, care au fost apoi analizate spectral în funcție de energia fotonului incidentă.

Cu îmbunătățiri inteligente ale aparatului și ale schemei de măsurare, Kühn și colegii săi Moto Togawa , René Steinbrügge și Chintan Shah au reușit în timpul zilelor lungi și nopților scurte la linia de lumină PETRAIII să dubleze rezoluția spectrelor încă o dată în comparație cu măsurarea lor anterioară și să suprime fundalul de interferență, așa cum apare în fiecare măsurătoare, cu un factor de o mie. .

Calitatea enorm de îmbunătățită a datelor a dus la descoperire: pentru prima dată, liniile de emisie care urmează să fie investigate au putut fi complet separate de liniile învecinate. În plus, liniile 3C și 3D puteau fi măsurate acum chiar până la marginea lor.

„În măsurătorile anterioare, aripile acestor linii au fost ascunse în fundal, ceea ce duce la o interpretare eronată a intensităților.” explică Kühn. Maurice Leutenegger de la NASA Goddard Space Flight Center, care a fost implicat în experiment în calitate de expert în astrofizică cu raze X, este, de asemenea, foarte mulțumit de rezultat: „Rezultatul final este acum în acord excelent cu previziunile teoretice. teoreticieni.

„Acest lucru întărește încrederea în calculele mecanice cuantice utilizate pentru analiza spectrelor astrofizice. Acest lucru se aplică în special liniilor pentru care nu există valori de referință experimentale", subliniază Kühn semnificația noului rezultat. Mai mult, spectrele telescoapelor spațiale pot fi acum evaluate cu o precizie mai mare.

Acest lucru se aplică și el. la două observatoare mari de raze X care urmează să fie lansate în curând în spațiu: Misiunea de spectroscopie cu raze X condusă de Japonia (XRISM, lansată în mai 2023) și Observatorul de raze X Athena al Agenției Spațiale Europene ESA (lansare în începutul anilor 2030).

Lucrul este publicat în revista Physical Review Letters.

(Fluierul)