Het oplossen van het mysterie in het röntgenspectrumexperiment elimineert decennia van onverklaarbare discrepanties in astronomische spectra

Voortdurende discrepanties: Al tientallen jaren hebben astrofysici zich afgevraagd waarom sommige van de spectraallijnen die in röntgenspectra worden gemeten, verschillen van hoe ze er theoretisch uit zouden moeten zien. Nu is het voor het eerst een experiment gelukt om de theoretisch berekende spectraalwaarden in de praktijk te genereren. Dit lost niet alleen het mysterie van inconsistenties in deze zeer opwindende spoorwegen op. De nieuwe bevindingen helpen ook bij het zoeken met röntgenastronomie naar kosmisch plasma.

De aangeslagen, geïoniseerde atomen van superhete kosmische gassen zenden röntgenstraling uit, die in dit sterrenstelsel in blauwtinten te zien is. © NASA/JPL-Caltech, STScI/CXC/UofA/ESA/AURA/JHU

Als astronomen willen weten hoe heet de wolken van kosmische gassen, de zonnecorona of de extreem snelle accretieschijven rond zwarte gaten zijn, kijken ze naar de röntgenspectra van deze plasma-accreties, waarvan sommige miljoenen graden heter zijn. Hun röntgenstralen worden uitgezonden door zeer aangeslagen atomen met hoge energie en bevatten daarom emissielijnen die kenmerkend zijn voor de aanwezige elementen.

Het spectraallijnenpatroon laat echter ook zien hoe heet dit plasma is. Omdat de golflengte van de emissielijnen de ionisatietoestand van de atomen weergeeft. Hoe heter en energieker het plasma, hoe groter het verlies van elektronen uit zijn atomen – en dit wordt weerspiegeld in het röntgenspectrum. Astrofysici kunnen dergelijke exotische plasma’s classificeren door ze te vergelijken met theoretisch berekende waarden van hun ionisatieniveaus en aangeslagen toestanden.

De spoorlijnen passen niet bij de theorie

Maar slechts enkele astrofysisch belangrijke spectraallijnen komen van de lijn. Dit zijn twee emissielijnen van Fe XVII – ijzeratomen, waaruit 16 van de 26 elektronen in het hete plasma zijn gestript. De verhouding van de dichtheid van deze twee lijnen is een kritische indicator van de temperatuur van het kosmische plasma en de processen die daarin plaatsvinden. Maar in de afgelopen decennia zijn de Fe-XVII-lijnen waargenomen in de röntgenspectra ongeveer 20 procent afgeweken van theoretische berekeningen.

READ  Teufel Supreme in-ear koptelefoon

Maar het meest vervelende: zelfs bij laboratoriumexperimenten was het niet mogelijk om theoretische waarden te reproduceren; Natuurkundigen probeerden dit voor het laatst in 2020. “We waren ervan overtuigd dat we tijdens de meting alle toen bekende systematische effecten onder controle hadden”, meldt Steffen Kühn van het Max Planck Instituut voor Kernfysica (MPIK) in Heidelberg. Maar de tegenstellingen bleven bestaan. Dit deed de vraag rijzen of de modellen van de kernfysica misschien verkeerd waren?

Met de ionenval bij de röntgen-synchrotron

Om deze vraag tot op de bodem uit te zoeken, hebben Kuhn en zijn collega’s nu nog een experiment uitgevoerd. In tegenstelling tot eerdere experimenten maten ze niet de intensiteitsverhouding van de twee lijnen van het ijzerspectrum, maar de absolute intensiteit van de individuele lijnen, de zogenaamde oscillatorsterkte. Hiervoor gebruikten ze een in het instituut nieuw ontwikkelde mobiele ionenval. Hierin worden ijzer XVII-ionen geproduceerd door een elektronenstraal en gevangen in een magnetisch veld.

Meeteenheid
Tijdens metingen met de PolarX-EBIT ionenval bij de PETRA III X-ray synchrotron. © MPI Kernfysica

In de volgende stap bestraalde het team deze gevangen ijzerionen met behulp van een gefocusseerde röntgenstraal van de PETRA III synchrotron bij de Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg, waarvan de energie nauwkeurig kan worden gemoduleerd. Door de nieuwe ionenval te combineren met deze röntgenbundel, konden de onderzoekers de resolutie van het röntgenspectrum tweeënhalf keer verhogen in vergelijking met eerdere experimenten. De signaal-ruisverhouding is duizend keer verbeterd.

Eindelijk een wedstrijd

Hij bereikte deze doorbraak: voor het eerst bepaalden natuurkundigen in hun experiment de intensiteit van het spectrum die overeenkwam met de theoretische waarden van deze twee ijzeren lijnen. “Dit lost eindelijk het decennia-oude mysterie van de breedte van de 17e rail op”, zeggen Cohn en collega’s. Observatie en theorie zijn het eindelijk eens – en de modellen worden bevestigd.

READ  Teardown-video van Apple's nieuwe Thunderbolt 4 Pro-kabel laat zien waarom het zo duur is Macerkopf

Het experiment bracht ook aan het licht waarom eerdere metingen consequent afweken van modellen. Omdat de hoge resolutie van de röntgenspectra voor het eerst de twee ijzeren strepen in hun vleugels liet zien – golflengten die aan de buitenrand van de respectievelijke strepen liggen. “Bij eerdere metingen waren de flanken van deze lijnen ondergronds verborgen, wat leidde tot een verkeerde interpretatie van hun intensiteit”, legt Kuhn uit. Hierdoor wordt de sterkte van de lijnoscillator onderschat.

belangrijk voor de astronomie

Dankzij de nieuwe experimentele gegevens kunnen röntgengegevens van ruimtetelescopen nu nauwkeuriger worden geëvalueerd in de toekomst – en met het vertrouwen dat theoretische vergelijkingswaarden gebaseerd zijn op de juiste modellen. Dit is belangrijk voor röntgenobservatoria die al in de ruimte actief zijn, maar ook voor toekomstige röntgensatellieten zoals de Japanse XRISM-missie die in 2023 van start gaat of ESA’s röntgenobservatorium in Athene, dat gepland staat voor begin jaren 2030.

“Dit werk vertegenwoordigt een opmerkelijke prestatie in de experimentele atoomfysica”, zegt Roberto Mancini, een natuurkundige buiten de studie aan de Universiteit van Nevada in Reno. “Het werd mogelijk gemaakt door technische doorbraken, uitstekende data-analyse en identificatie van onzekerheden.” (Fysieke beoordelingsbrieven, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)

Bron: Max Planck Instituut voor Kernfysica

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *