Das Lösen von Rätseln im Röntgenspektrum Experimente zerstreuten unerklärliche Jahrzehnte von Unterschieden in astronomischen Spektren

Kontinuierliche Diskrepanzen: Seit Jahrzehnten rätseln Astrophysiker darüber, warum sich einige in einem Röntgenspektrum gemessene Spektrallinien von dem unterscheiden, was sie theoretisch erscheinen sollten. Nun ist es erstmals einem Experiment gelungen, theoretisch berechnete Spektralwerte in der Praxis herzustellen. Damit ist nicht nur das Rätsel um die Ungereimtheiten dieser unglaublich spannenden Eisenbahn gelöst. Die neuen Erkenntnisse unterstützen auch die Suche der Röntgenastronomie nach kosmischem Plasma.

Ionisierte Atome von superheißem kosmischem Gas senden Röntgenstrahlen aus, die in dieser Galaxie in Blautönen sichtbar sind. © NASA/JPL-Caltech, STScI/CXC/UofA/ESA/AURA/JHU

Wenn Astronomen wissen wollen, wie heiß eine Wolke aus kosmischem Gas, die Sonnenkorona oder die schnelle Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch ist, schauen sie sich die Röntgenspektren dieses Akkretionsplasmas an, von denen einige Millionen Grad heißer sind. Ihre Röntgenstrahlen werden von hochangeregten energiereichen Atomen emittiert und enthalten daher Emissionslinien, die für die vorhandenen Elemente charakteristisch sind.

Das Muster der Spektrallinien verrät aber auch, wie heiß dieses Plasma ist. Denn die Wellenlänge der Emissionslinie gibt den Ionisationszustand des Atoms an. Je heißer und energiereicher das Plasma ist, desto mehr Elektronen verliert es aus seinen Atomen – und das spiegelt sich im Röntgenspektrum wider. Astrophysiker können solche exotischen Plasmen klassifizieren, indem sie sie mit theoretisch berechneten Werten ihrer Ionisationsniveaus und angeregten Zustände vergleichen.

Die Bahnlinie passt nicht in die Theorie

Aber nur wenige astrophysikalisch wichtige Spektrallinien entgehen. Das sind zwei Emissionslinien des Fe XVII – Eisenatoms, aus dem 16 der 26 Elektronen im heißen Plasma entfernt wurden. Das Verhältnis der Dichte dieser beiden Linien ist ein wichtiger Indikator für die Temperatur des kosmischen Plasmas und die darin ablaufenden Prozesse. Doch im Laufe der Jahrzehnte ist die im Röntgenspektrum beobachtete Fe-XVII-Linie um etwa 20 Prozent von den theoretischen Berechnungen abgewichen.

Aber das Ärgerlichste: Auch in Laborexperimenten lassen sich theoretische Werte nicht reproduzieren; Das haben Physiker zuletzt 2020 versucht. „Wir sind zuversichtlich, dass wir alle damals bekannten systematischen Effekte bei den Messungen kontrolliert hatten“, berichtet Steffen Kühn vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg. Aber die Widersprüche bestehen fort. Dies wirft die Frage auf, ob es möglich ist, dass das kernphysikalische Modell falsch ist?

Mit Ionenfallen an Röntgen-Synchrotrons

Um diese Frage zu beantworten, haben Kuhn und seine Kollegen nun ein weiteres Experiment durchgeführt. Im Gegensatz zu früheren Experimenten maßen sie nicht das Verhältnis der Intensitäten der beiden Linien des Eisenspektrums, sondern die absolute Intensität jeder Linie, die als Oszillatorstärke bezeichnet wird. Dazu nutzen sie eine am Institut neu entwickelte mobile Ionenfalle. In diesem Fall wird das Eisenion XVII durch den Elektronenstrahl erzeugt und in einem Magnetfeld eingefangen.

Bei Messungen mit der Ionenfalle PolarX-EBIT am Röntgensynchrotron PETRA III. © MPI Kernphysik

Diese eingefangenen Eisen-Ionen bestrahlte das Team im nächsten Schritt mit einem fokussierten Röntgenstrahl des Synchrotrons PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, dessen Energie präzise moduliert werden konnte. Durch die Kombination der neuen Ionenfalle mit diesem Röntgenstrahl konnten die Forscher die Auflösung des Röntgenspektrums im Vergleich zu früheren Experimenten um das Zweieinhalbfache steigern. Das Signal-Rausch-Verhältnis hat sich tausendfach erhöht.

Endlich ein Streichholz

Dieser Durchbruch gelang ihm: Erstmals bestimmten Physiker in ihren Experimenten spektrale Intensitäten, die den theoretischen Werten dieser beiden Eisenlinien entsprachen. „Dies enträtselt endlich ein jahrzehntealtes Rätsel um die Breite der 17. Schiene“, sagten Cohn und Kollegen. Beobachtung und Theorie stimmten schließlich überein – und das Modell wurde bestätigt.

Das Experiment zeigt auch, warum frühere Messungen immer wieder vom Modell abweichen. Denn die hohe Auflösung des Röntgenspektrums zeigte erstmals zwei Eisenlinien auf ihren Flügeln – die Wellenlängen, die an den Außenkanten jeder Linie liegen. „Bei früheren Messungen waren die Flanken dieser Linie im Untergrund verborgen, was zu einer Fehlinterpretation der Intensität führte“, erklärt Kuhn. Dadurch wird die Stärke der Oszillatorlinie unterschätzt.

wichtig für die Astronomie

Dank neuer experimenteller Daten lassen sich Röntgendaten von Weltraumteleskopen künftig genauer auswerten – und zwar in der Gewissheit, dass theoretische Vergleichswerte auf korrekten Modellen beruhen. Dies ist wichtig für bereits im Weltraum aktive Röntgenobservatorien, aber auch für zukünftige Röntgensatelliten wie die japanische XRISM-Mission ab 2023 oder das Athener Röntgenobservatorium der ESA, das für Anfang der 2030er Jahre geplant ist. .

„Diese Arbeit ist eine bemerkenswerte Leistung in der experimentellen Atomphysik“, kommentierte Roberto Mancini, Physiker außerhalb des Studiums an der University of Nevada in Reno. “Möglich wurde dies durch technische Durchbrüche, hervorragende Datenanalysen und die Identifizierung von Unsicherheiten.” (Physical Review Letter, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)

Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik

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