Nové meranie zhoršuje staré problémové správy z fyziky
Rodokmeň Mliečnej dráhy
Plne integrovaná kontrola nanodiamantov
Trochu bližšie k slnku
Vzdialenosti od hviezd
Čo žiari hviezdy
Jednosmerná ulica pre elektróny
Stovky výtlačkov Newtonovej knihy Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nájdené v novom počte
Naša slnečná sústava sa sformovala za menej ako 200 000 rokov
Zdravý na Mars
Nové meranie prehlbuje starý problém
Fyzikálne novinky od 2. júna 2020 fyzika plazmy
Po celé desaťročia si astrofyzici lámu hlavu nad dvoma údernými röntgenovými emisnými líniami z nabitého železa: ich nameraný pomer jasu sa nezhoduje s vypočítanou. To ovplyvňuje stanovenie teploty a hustoty plazmy. Nové starostlivé a vysoko presné merania a výpočty využívajúce najmodernejšie metódy teraz vylučujú všetky predtým navrhované vysvetlenia tohto rozdielu a tak problém prehlbujú.
Horúce astrofyzikálne plazmy vypĺňajú medzigalaktický priestor a jasne žiaria v hviezdnych atmosférach, aktívnych jadrách galaxií a zvyškoch supernov. Obsahujú nabité atómy (ióny), ktoré emitujú röntgenové lúče; toto je možné pozorovať na satelitných prístrojoch. Astrofyzici používajú napríklad svoje spektrálne čiary na odvodenie teplôt plazmy alebo frekvencií prvkov. Dve z najjasnejších röntgenových línií pochádzajú z atómov železa, ktoré stratili 16 zo svojich 26 elektrónov, ióny Fe 16+ - v astrofyzike tiež známe ako Fe XVII. Železo je vo vesmíre úplne bežné; zaisťuje, že hviezdy ako naše slnko spaľujú svoj prísun vodíka iba pomaly, po miliardy rokov, a to do veľkej miery potlačením transportu žiarenia energie zo žiariaceho fúzneho jadra na pomerne mierne horúci povrch hviezd.
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 a S. Bernitt Merania fotoexcitácie vo vysokom rozlíšení zhoršujú dlhotrvajúci problém so silou oscilátora Fe XVII Phys. Reverend Lett. 124, 225001 (1. júna 2020)
Už viac ako štyridsať rokov sa röntgenoví astronómovia potýkajú s vážnym problémom s dvoma dôležitými líniami Fe16 +: nameraný pomer ich intenzít sa výrazne líši od teoretických predpovedí. To platí aj pre laboratórne merania, ale zatiaľ sú experimentálne a teoretické neistoty príliš veľké na objasnenie veci.
Medzinárodný tím 32 vedcov vedený Inštitútom Maxa Plancka pre jadrovú fyziku (MPIK) a NASA Goddard Space Flight Center teraz zverejnil výsledky svojho obnoveného masívneho úsilia o odstránenie tohto rozporu. Na tento účel vedci uskutočnili obidve predtým merania s najvyšším rozlíšením a niekoľko kvantovo-teoretických výpočtov pomocou najnovšej metodiky.
Prepracovaná stratégia merania .
Steffen Kühn, doktorandka z MPIK, zodpovedná za zariadenie, popisuje toto úsilie: „Aby sme rezonančne stimulovali vysoko nabité ióny železa, kontinuálne ich vyrábame v našej kompaktnej mobilnej iónovej pascii elektrónových lúčov (EBIT) a ožarujeme ich röntgenovým svetlom zo synchrotrónu PETRA III v spoločnosti DESY. Rezonanciu s čiarami nájdeme vyladením energie synchrotrónu nad oblasťou, v ktorej by sa mali objaviť, a zmeraním jasu fluorescenčného svetla. Kolegovia z 19 inštitúcií pracujúcich v DESY (nemecký Electron Synchrotron) pomáhali viac ako rok zvládnuť obrovské množstvo údajov, starostlivo ich vyhodnotiť a skontrolovať výsledky. “
Aby sa zabezpečilo, že je všetko konzistentné, vedci použili na určenie pomeru intenzity dvoch línií Fe 16+, nazývaných 3C a 3D, tri rôzne metódy merania. Najskôr skenovanie po celej ploche ukázalo polohy čiar, šírku a intenzitu. Po druhé, experimentátori upravili energiu röntgenových fotónov na maximálny jas fluorescenčného svetla, a tým cyklicky vypínali a zapínali röntgenový lúč, aby sa zbavili silného pozadia. Po tretie, znova naskenovali čiary, ale zároveň pomocou triku zapnutia a vypnutia potlačili inštrumentálne efekty. „Týmto spôsobom sme boli schopní určiť najpresnejšiu hodnotu pomeru jasu v súčasnosti so spektrálnym rozlíšením desaťkrát vyšším ako v predchádzajúcej práci,“ uvádza Chintan Shah, postdoktorand NASA. „A vlastnosti lúča PETRA III zabránili možným nelineárnym účinkom závislým od toku synchrotrónového žiarenia, ktoré by mohli narušiť skoršie merania,“ dodáva Sven Bernitt z Helmholtzovho ústavu v Jene. Je pozoruhodné, že získaný pomer intenzity potvrdzuje skoršie astrofyzikálne a laboratórne merania s významne zníženou neistotou.
. a preddavkové faktúry
Teoretické tímy vedené Natáliou Oreshkinovou z MPIK z Austrálie, USA a Ruska použili tri nezávislé, veľmi rozsiahle relativistické kvantové teoretické metódy, a tak umožnili horúcim zhlukom stoviek procesorov niekoľko týždňov. Tento počítačový maratón priniesol konzistentné výsledky s vysokou numerickou presnosťou. Zatiaľ čo vypočítaný energetický rozdiel medzi čiarami súhlasí s nameranou hodnotou, pomer intenzity sa zreteľne líši od experimentálneho výsledku. „Nie sú známe žiadne ďalšie kvantovo-mechanické efekty alebo numerické neistoty, ktoré by sme mohli zohľadniť pri našich prístupoch,“ zdôrazňuje Marianna Safronová, profesorka na univerzite v Delaware.
Príčina nezrovnalosti medzi experimentálnymi a teoretickými pomermi intenzity 3C a 3D čiar Fe16 + preto zostáva záhadou, pretože všetky efekty, ktoré môžu interferovať s meraniami, sú do veľkej miery potlačené a zostávajúce neistoty sú pochopené. Preto sú astrofyzikálne parametre odvodené od intenzity röntgenových lúčov do istej miery neisté. Aj keď je neuspokojivý, „nový presný výsledok merania sa dá priamo použiť na korekciu astrofyzikálnych modelov,“ odporúča Maurice Leutenegger, tiež výskumný pracovník NASA. „Budúce vesmírne misie, ako napríklad röntgenový ďalekohľad Athena od spoločnosti ESA, s vylepšenou röntgenovou prístrojovou technikou, čoskoro pošlú na Zem neuveriteľný prúd údajov s vysokým rozlíšením a my sa musíme pripraviť na ich pochopenie, aby sme dosiahli maximálnu návratnosť tejto miliardovej investície.“