Noua măsurare exacerbează vechile știri cu probleme din fizică

Arborele genealogic al Căii Lactee

Control complet integrat al nanodiamantelor

Un pic mai aproape de soare

Distanțe față de stele

Ceea ce face strălucirea stelelor

Stradă cu sens unic pentru electroni

Sute de exemplare ale lui Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica găsite într-un nou număr

Sistemul nostru solar a fost format în mai puțin de 200.000 de ani

Sănătos pentru Marte

Noua măsurare agravează vechea problemă

Știri de fizică din 2 iunie 2020 Fizică plasmatică

De zeci de ani, astrofizicienii au nedumerit peste două linii izbitoare de emisii de raze X din fierul încărcat: raportul lor de luminozitate măsurat nu se potrivește cu cel calculat. Acest lucru afectează determinarea temperaturii și densității plasmelor. Noile măsurători și calcule atente, de înaltă precizie, folosind cele mai moderne metode exclud acum toate explicațiile propuse anterior pentru această discrepanță și, astfel, agravează problema.

Plasmele astrofizice fierbinți umple spațiul intergalactic și strălucesc puternic în atmosfere stelare, nuclee de galaxie active și resturi de supernova. Acestea conțin atomi încărcați (ioni) care emit raze X; acest lucru poate fi observat cu instrumentele prin satelit. Astrofizicienii își folosesc liniile spectrale pentru a obține temperaturi plasmatice sau frecvențe ale elementelor, de exemplu. Două dintre cele mai strălucitoare linii de raze X provin de la atomi de fier care și-au pierdut 16 din 26 de electroni, ioni Fe 16+ - cunoscuți și sub numele de Fe XVII în astrofizică. Fierul este destul de comun în univers; se asigură că stelele precum soarele nostru își ard consumul de hidrogen încet, timp de miliarde de ani, suprimând în mare măsură transportul radiației de energie de la miezul strălucitor de fuziune la suprafața stelelor relativ moderată.

S. Kühn, C. Shah, JR Crespo López-Urrutia, K. Fujii, R. Steinbrügge, J. Stierhof, M. Togawa, Z. Harman, NS Oreshkina, C. Cheung, MG Kozlov, SG Porsev, MS Safronova, JC Berengut, M. Rosner, M. Bissinger, R. Ballhausen, N. Hell, SungNam Park, M. Chung, M. Hoesch, J. Seltmann, AS Surzhykov, VA Yerokhin, J. Wilms, FS Porter, T. Stöhlker, CH Keitel, T. Pfeifer, GV Brown, MA Leutenegger și S. Bernitt Măsurători de foto-excitație de înaltă rezoluție exacerbează problema de lungă durată a oscilatorului Fe XVII cu rezistența fizică. Pr. Lett. 124, 225001 (1 iunie 2020)

De mai bine de patruzeci de ani, astronomii cu raze X s-au confruntat cu o problemă serioasă cu cele două linii importante Fe16 +: raportul măsurat al intensităților lor se abate semnificativ de la predicțiile teoretice. Acest lucru se aplică și măsurătorilor de laborator, dar până acum incertitudinile experimentale și teoretice au fost prea mari pentru a clarifica problema.

O echipă internațională de 32 de oameni de știință condusă de Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară (MPIK) și Centrul de Zbor Spațial Goddard NASA a publicat acum rezultatele eforturilor sale masive reînnoite pentru a elimina această discrepanță. În acest scop, oamenii de știință au efectuat atât măsurători cu cea mai înaltă rezoluție, cât și mai multe calcule teoretice cuantice, folosind cea mai recentă metodologie.

Strategie de măsurare sofisticată .

Steffen Kühn, doctorand la MPIK și responsabil pentru echipamente, descrie efortul: „Pentru a stimula rezonant ionii de fier cu încărcare mare, îi fabricăm în mod continuu în capcana noastră ionică mobilă cu fascicul de electroni (EBIT) și îi iradăm cu lumină cu raze X din sincronul PETRA III la DESY. Rezonanța cu liniile o găsim reglând energia sincrotronului peste zona în care ar trebui să apară și măsurând luminozitatea luminii fluorescente. Colegii din 19 instituții care lucrează la DESY (German Electron Synchrotron) au ajutat timp de peste un an să facă față cantității enorme de date, să le analizeze meticulos și să verifice rezultatele. "

Pentru a se asigura că totul este consecvent, cercetătorii au folosit trei metode de măsurare diferite pentru a determina raportul de intensitate a celor două linii Fe 16+, numite 3C și 3D. În primul rând, scanările pe întreaga zonă au arătat pozițiile liniei, lățimile și intensitățile. În al doilea rând, experimentatorii au ajustat energia fotonilor de raze X la luminozitatea maximă a luminii fluorescente și, prin urmare, au oprit și pornit din nou ciclul de raze X pentru a scăpa de fundalul puternic. În al treilea rând, au scanat din nou liniile în timp ce foloseau trucul on-off pentru a suprima efectele instrumentale. „În acest fel, am putut determina cea mai precisă valoare a raportului de luminozitate în acest moment, cu o rezoluție spectrală de zece ori mai mare decât în lucrările anterioare”, afirmă Chintan Shah, un coleg postdoctoral la NASA. „Și proprietățile fasciculului PETRA III au evitat posibilele efecte neliniare, dependente de fluxul de radiații sincrotrone, care ar fi putut perturba măsurătorile anterioare”, adaugă Sven Bernitt de la Helmholtz Institute Jena. În mod remarcabil, raportul de intensitate obținut confirmă măsurători astrofizice și de laborator anterioare cu incertitudine semnificativ redusă.

. și facturi avansate

Echipele de teorie conduse de Natalia Oreshkina la MPIK, din Australia, SUA și Rusia, au folosit trei metode teoretice cuantice independente, foarte extinse, relativiste și au lăsat astfel grupuri de sute de procesoare să se încălzească săptămâni întregi. Acest maraton computerizat a dat rezultate consistente cu o precizie numerică ridicată. Cu toate acestea, în timp ce diferența de energie calculată între linii este de acord cu valoarea măsurată, raportul de intensitate se abate în mod clar de rezultatul experimental. „Nu se cunosc alte efecte mecanice cuantice sau incertitudini numerice pe care să le putem lua în considerare în abordările noastre”, subliniază Marianna Safronova, profesor la Universitatea din Delaware.

Cauza discrepanței dintre rapoartele de intensitate experimentale și teoretice ale liniilor 3C și 3D ale Fe16 + rămâne, așadar, un mister, deoarece toate efectele care pot interfera cu măsurătorile sunt în mare parte suprimate, iar incertitudinile rămase sunt înțelese. În consecință, parametrii astrofizici derivați din intensitățile liniilor de raze X sunt incerti într-o oarecare măsură. Chiar dacă este nesatisfăcător, „noul rezultat de măsurare precis poate fi utilizat direct pentru a corecta modelele astrofizice”, recomandă Maurice Leutenegger, de asemenea cercetător NASA. „Misiunile spațiale viitoare, cum ar fi Telescopul cu raze X Athena al ESA, cu instrumentație de raze X îmbunătățită, vor trimite în curând un flux incredibil de date de înaltă rezoluție pe Pământ și trebuie să ne pregătim să le înțelegem pentru a obține rentabilitatea maximă a acestei investiții de miliarde de dolari”.