Постоянные несоответствия. В течение десятилетий астрофизики ломали голову над тем, почему некоторые спектральные линии, измеренные в рентгеновском спектре, отличаются от теоретических. Теперь впервые в эксперименте удалось получить теоретически рассчитанные спектральные значения на практике. Это не просто решает загадку несоответствий на этой невероятно захватывающей железной дороге. Новые результаты также помогают рентгеновской астрономии в поисках космической плазмы.
Когда астрономы хотят узнать, насколько горячим является облако космического газа, солнечная корона или быстро аккреционный диск вокруг черной дыры, они смотрят на рентгеновские спектры этой аккреционной плазмы, некоторые из которых на миллионы градусов горячее. Их рентгеновские лучи испускаются сильно возбужденными атомами высоких энергий и поэтому содержат эмиссионные линии, характерные для присутствующих элементов.
Однако структура спектральных линий также показывает, насколько горяча эта плазма. Потому что длина волны эмиссионной линии указывает на состояние ионизации атома. Чем горячее и энергичнее плазма, тем больше электронов она теряет из своих атомов — и это отражается в рентгеновском спектре. Астрофизики могут классифицировать такие экзотические плазмы, сравнивая их с теоретически рассчитанными значениями их уровней ионизации и возбужденных состояний.
Железнодорожная линия не соответствует теории
Но ускользает лишь несколько важных с астрофизической точки зрения спектральных линий. Это две эмиссионные линии от Fe XVII – атома железа, у которого отнято 16 из 26 электронов в горячей плазме. Соотношение плотности этих двух линий является важным показателем температуры космической плазмы и происходящих в ней процессов. Но за десятилетия линия Fe-XVII, наблюдаемая в рентгеновском спектре, отклонилась от теоретических расчетов примерно на 20 процентов.
Но самое обидное: даже в лабораторных экспериментах невозможно воспроизвести теоретические значения; Физики в последний раз пытались это сделать в 2020 году. «Мы уверены, что у нас были все известные систематические эффекты во время, контролируемое во время измерений», — сообщает Штеффен Кюн из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге. Но противоречия сохраняются. В связи с этим возникает вопрос, возможно ли, что модель ядерной физики ошибочна?
С ионными ловушками на рентгеновских синхротронах
Чтобы ответить на этот вопрос, Кун и его коллеги провели еще один эксперимент. В отличие от предыдущих экспериментов, они измеряли не отношение интенсивностей двух линий спектра железа, а абсолютную интенсивность каждой линии, которая называется силой осциллятора. Для этого они используют недавно разработанную в институте мобильную ионную ловушку. В этом случае ион железа XVII генерируется электронным пучком и захватывается магнитным полем.
На следующем этапе команда облучила эти захваченные ионы железа с помощью сфокусированного рентгеновского луча синхротрона PETRA III в Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге, энергию которого можно было точно модулировать. Комбинируя новую ионную ловушку с этим рентгеновским пучком, исследователи смогли увеличить разрешение рентгеновского спектра в два с половиной раза по сравнению с предыдущими экспериментами. Отношение сигнал/шум увеличилось в тысячи раз.
Наконец-то матч
Он добился этого прорыва: физики впервые в своих экспериментах определили спектральные интенсивности, которые соответствовали теоретическим значениям этих двух линий железа. «Это, наконец, разгадывает многолетнюю тайну о ширине 17-го рельса», — сказали Кон и его коллеги. Наблюдение и теория наконец сошлись — и модель подтвердилась.
Эксперимент также показывает, почему предыдущие измерения постоянно отклоняются от модели. Потому что высокое разрешение рентгеновского спектра впервые показало на их крыльях две линии железа — длины волн, лежащие на внешних краях каждой линии. «В предыдущих измерениях стороны этой линии были скрыты под землей, что приводило к неправильной интерпретации интенсивности», — объясняет Кун. В результате сила линии осциллятора недооценивается.
важно для астрономии
Благодаря новым экспериментальным данным рентгеновские данные с космических телескопов теперь можно будет оценивать более точно в будущем — и с уверенностью, что теоретические значения сравнения основаны на правильных моделях. Это важно для рентгеновских обсерваторий, уже работающих в космосе, а также для будущих рентгеновских спутников, таких как японская миссия XRISM, стартующая в 2023 году, или Афинская рентгеновская обсерватория ЕКА, запуск которой запланирован на начало 2030-х годов.
«Эта работа — замечательное достижение в экспериментальной атомной физике», — прокомментировал Роберто Манчини, физик, не обучающийся в Университете Невады в Рино. «Это стало возможным благодаря техническим прорывам, превосходному анализу данных и выявлению неопределенностей». (Письмо с физическим обзором, 2022 г.; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)
Источник: Институт ядерной физики им. Макса Планка.
