Twee prominente röntgenstralingslijnen van sterk geladen ijzer hebben astrofysici decennia lang voor een raadsel gehouden omdat hun gemeten en berekende helderheidsverhoudingen het altijd oneens zijn. Dit belemmert een goede bepaling van plasmatemperaturen en dichtheden. Nieuw, zorgvuldige uiterst nauwkeurige metingen, samen met berekeningen op het hoogste niveau, sluit nu alle tot nu toe voorgestelde verklaringen voor deze discrepantie uit, en zo het probleem verdiepen.

Hete astrofysische plasma's vullen de intergalactische ruimte, en helder schijnen in stellaire coronae, actieve galactische kernen, en supernovaresten. Ze bevatten geladen atomen (ionen) die röntgenstralen uitzenden die waarneembaar zijn door satellietinstrumenten. Astrofysici hebben hun spectraallijnen nodig om parameters zoals plasmatemperaturen of elementaire overvloed af te leiden. Twee van de helderste röntgenlijnen ontstaan ​​uit ijzeratomen die 16 van hun 26 elektronen hebben verloren, Fe ¹⁶⁺ ionen - ook bekend in de astrofysica als Fe XVII. IJzer is vrij overvloedig in het universum; het laat sterren die lijken op onze zon hun waterstofbrandstof miljarden jaren heel langzaam verbranden door de energie die als straling van de vurige fusiekern naar de, in vergelijking slechts licht heet, stellair oppervlak.

Al meer dan veertig jaar, Röntgenastronomen hebben last van een ernstig probleem met de twee belangrijkste Fe ¹⁶⁺ lijnen:de verhouding van hun gemeten intensiteiten komt significant niet overeen met theoretische voorspellingen. Dit geldt ook voor laboratoriummetingen, maar de onzekerheden in experiment en theorie zijn te groot geweest om het probleem op te lossen.

Een internationaal team van 32 onderzoekers onder leiding van groepen van het Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) en het NASA Goddard Space Flight Center heeft zojuist het resultaat gepubliceerd van zijn hernieuwde enorme inspanning om deze discrepantie op te lossen. Ze hebben zowel de metingen met de hoogste resolutie tot nu toe uitgevoerd, en verschillende kwantumtheoretische berekeningen op het hoogste niveau.

Steffen Kuhn, doctoraat student bij MPIK en verantwoordelijk voor de opzet, beschrijft de inspanning:"Om hooggeladen ijzerionen resonant op te wekken, we genereren ze continu met onze compacte mobiele elektronenbundel-ionenval (PolarX-EBIT) en bestralen ze met röntgenstralen van de PETRA III-synchrotron bij DESY. We vinden resonantie met de lijnen door de synchrotron-energie te scannen over het bereik waar ze zouden moeten verschijnen en het fluorescentielicht te observeren. Om de experimentele gegevensstroom te verwerken, we hadden collega's van 19 instellingen die bij DESY werkten, en de resultaten gedurende meer dan een jaar nauwgezet analyseren en kruiselings controleren."

Om ervoor te zorgen dat alles consistent is, de onderzoekers combineerden drie verschillende meetprocedures om de intensiteitsverhouding van de twee Fe . te bepalen ¹⁶⁺ lijnen, 3C en 3D genoemd. Eerst, algehele scans onthulden lijnposities, breedtes en intensiteiten. Tweede, de experimentatoren stelden de energie van de röntgenfotonen in om overeen te komen met de piekfluorescentieopbrengst, terwijl ze de fotonenstraal cyclisch aan- en uitzetten om de sterke achtergrond kwijt te raken. Derde, ze scanden de lijnen opnieuw, maar tegelijkertijd de aan-uit-truc gebruiken om instrumentale effecten te verminderen. "Op deze manier, we konden de momenteel meest nauwkeurige waarde van de helderheidsverhouding afleiden, en dit met een tien keer hogere spectrale resolutie dan eerder werk, " zegt Chintan Shah, Postdoctoraal onderzoeker van de NASA.

"En de eigenschappen van de PETRA III-straal vermeden mogelijke niet-lineaire effecten, afhankelijk van de flux van synchrotron-fotonen die eerdere metingen mogelijk hebben beïnvloed, " voegt Sven Bernitt toe, onderzoeker aan het Helmholtz Instituut Jena. Opmerkelijk, de resulterende intensiteitsverhouding bevestigt eerdere astrofysische en laboratoriummetingen met veel verminderde onzekerheid.

Theorieteams rond Natalia Oreshkina bij de MPIK, van Australië, de VS en Rusland hebben drie onafhankelijke, zeer grootschalige relativistische kwantumtheoretische methoden toegepast, clusters van honderden processors wekenlang warm laten draaien. Deze computationele marathon leverde overeenstemmende resultaten op met een hoge numerieke precisie. Echter, terwijl het berekende energieverschil tussen de twee lijnen goed overeenkomt met de gemeten waarde, de intensiteitsverhouding wijkt duidelijk af van het experimentele resultaat. "Er zijn geen andere bekende kwantummechanische effecten of numerieke onzekerheden waarmee we rekening moeten houden binnen onze benaderingen, " zegt Marianna Safronova, hoogleraar aan de Universiteit van Delaware.

Dus, de oorzaak van de discrepantie tussen de experimentele en theoretische intensiteitsverhoudingen van de 3C- en 3D-lijnen van Fe ¹⁶⁺ blijft een raadsel, aangezien ook alle effecten die de metingen zouden kunnen verstoren zoveel mogelijk onderdrukt werden, en de resterende onzekerheid begrepen. Als gevolg hiervan, astrofysische parameters afgeleid op basis van röntgenlijnintensiteiten zijn, tot op zekere hoogte, onzeker. Hoewel dit onbevredigend is, "het nieuwe nauwkeurige experimentele resultaat kan onmiddellijk worden gebruikt om de astrofysische modellen empirisch te corrigeren, " zegt Maurice Leutenegger, ook een NASA-onderzoeker.

"Aanstaande ruimtemissies met geavanceerde röntgenapparatuur, zoals ESA's Athena X-ray Observatory, zal binnenkort beginnen met het verzenden van een ongelooflijke stroom gegevens met hoge resolutie naar de grond, en we moeten bereid zijn om het te begrijpen en de maximale waarde uit die investeringen van miljarden dollars te halen."