Новото измерване изостря старите проблемни новини от физиката

Родословно дърво на Млечния път

Напълно интегриран контрол на нанодиамантите

Малко по-близо до слънцето

Разстояния от звезди

Какво кара звездите да блестят

Еднопосочна улица за електрони

Стотици копия на Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica намерени при ново преброяване

Слънчевата ни система се формира за по-малко от 200 000 години

Здравословно за Марс

Ново измерване изостря стария проблем

Новини за физиката от 2 юни 2020 г. Физика на плазмата

В продължение на десетилетия астрофизиците озадачават две удивителни рентгенови емисионни линии от заредено желязо: измереното им съотношение на яркост не съответства на изчисленото. Това влияе върху определянето на температурата и плътността на плазмата. Новите внимателни, високо прецизни измервания и изчисления, използващи най-модерните методи, сега изключват всички предложени обяснения за това несъответствие и по този начин изострят проблема.

Горещите астрофизични плазми изпълват междугалактическото пространство и блестят ярко в атмосферата на звездите, активните ядра на галактиките и остатъците от свръхнова. Те съдържат заредени атоми (йони), които излъчват рентгенови лъчи; това може да се наблюдава при сателитни инструменти. Астрофизиците използват техните спектрални линии например, за да извлекат плазмени температури или честоти на елементите. Две от най-ярките рентгенови линии идват от атоми на желязото, които са загубили 16 от своите 26 електрона, йони Fe 16+ - известни също като Fe XVII в астрофизиката. Желязото е доста разпространено във Вселената; той гарантира, че звезди като нашето слънце само изгарят доставките си на водород бавно, в продължение на милиарди години, като до голяма степен потискат радиационния транспорт на енергия от светещото ядро на термоядрен синтез до сравнително умерено горещата звездна повърхност.

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 и S. Bernitt Измерванията на фото-възбуждане с висока разделителна способност изострят дългогодишния Fe XVII проблем с осцилаторната сила Phys. Преподобни Lett. 124, 225001 (1 юни 2020 г.)

В продължение на повече от четиридесет години рентгеновите астрономи се борят със сериозен проблем с двете важни линии Fe16 +: измереното съотношение на техния интензитет се отклонява значително от теоретичните прогнози. Това се отнася и за лабораторни измервания, но досега експерименталните и теоретичните несигурности са били твърде големи, за да изяснят въпроса.

Международен екип от 32 учени, ръководен от Института за ядрена физика "Макс Планк" (MPIK) и Центъра за космически полети "Годард" на НАСА, публикува резултатите от подновените си масивни усилия за премахване на това несъответствие. За тази цел учените са извършили както предишните измервания с най-висока резолюция, така и няколко квантово-теоретични изчисления, използвайки най-новата методология.

Сложна стратегия за измерване .

Стефен Кюн, докторант в MPIK и отговорен за оборудването, описва усилията: „За да възбудим силно заредени железни йони резонансно, ние непрекъснато ги произвеждаме в нашия компактен мобилен електронен лъч-йонен капан (EBIT) и ги облъчваме с рентгенова светлина от синхротрона PETRA III в DESY. Намираме резонанса с линиите, като настройваме енергията на синхротрона върху областта, в която те трябва да се появят, и измерваме яркостта на флуоресцентната светлина. Колеги от 19 институции, работещи в DESY (немски Electron Synchrotron), помагаха повече от година да се справят с огромното количество данни, да ги анализират щателно и да проверят резултатите. "

За да гарантират, че всичко е последователно, изследователите са използвали три различни метода за измерване, за да определят съотношението на интензитета на двете линии Fe 16+, наречени 3C и 3D. Първо, сканирането на цялата площ показва позиции на линиите, ширини и интензитет. Второ, експериментаторите регулираха енергията на рентгеновите фотони до максималната яркост на флуоресцентната светлина и по този начин циклично изключваха и включваха рентгеновия лъч, за да се отърват от силния фон. Трето, те отново сканираха редовете, но в същото време използваха трика за включване и изключване, за да потиснат инструменталните ефекти. „По този начин успяхме да определим най-точната стойност на съотношението на яркостта в момента, със спектрална резолюция, десет пъти по-висока от предишната работа“, заявява Чинтан Шах, постдокторант в НАСА. „А свойствата на лъча PETRA III са избегнали възможни нелинейни ефекти, зависещи от потока на синхротронно лъчение, които биха могли да нарушат по-ранните измервания“, добавя Свен Бернит от Института Хелмхолц Йена. Забележително е, че полученото съотношение на интензивността потвърждава по-ранните астрофизични и лабораторни измервания със значително намалена несигурност.

. и разширени фактури

Екипите по теория, ръководени от Наталия Орешкина в MPIK, от Австралия, САЩ и Русия са използвали три независими, много обширни, релативистични квантови теоретични метода и по този начин пускат клъстери от стотици процесори да работят горещо в продължение на седмици. Този компютърен маратон даде последователни резултати с висока числена точност. Въпреки това, докато изчислената енергийна разлика между линиите се съгласува с измерената стойност, съотношението на интензитета явно се отклонява от експерименталния резултат. „Не са известни други квантово-механични ефекти или числени несигурности, които бихме могли да вземем предвид при нашите подходи“, подчертава Мариана Сафронова, професор в Университета в Делауеър.

Причината за несъответствието между експерименталното и теоретичното съотношение на интензивността на линиите 3C и 3D на Fe16 + остава загадка, тъй като всички ефекти, които могат да повлияят на измерванията, са до голяма степен потиснати и останалите несигурности са разбрани. Следователно астрофизичните параметри, получени от интензитета на рентгеновите линии, са несигурни до известна степен. Дори да е незадоволителен, „новият, прецизен резултат от измерването може да се използва директно за коригиране на астрофизични модели“, препоръчва Морис Лойтенегер, също изследовател на НАСА. „Предстоящите космически мисии, като рентгеновия телескоп Athena на ESA с подобрена рентгенова апаратура, скоро ще изпратят невероятен поток от данни с висока разделителна способност на Земята и ние трябва да се подготвим да ги разберем, за да получим максимална възвръщаемост на тази инвестиция от милиарди долари.“