Due importanti linee di emissione di raggi X di ferro altamente carico hanno sconcertato gli astrofisici per decenni perché i loro rapporti di luminosità misurati e calcolati sono sempre in disaccordo. Ciò impedisce una buona determinazione delle temperature e delle densità del plasma. Nuovo, misurazioni accurate di alta precisione, insieme a calcoli di alto livello, ora escludiamo tutte le spiegazioni finora proposte per questa discrepanza, e quindi approfondire il problema.

Plasmi astrofisici caldi riempiono lo spazio intergalattico, e brillano in corone stellari, nuclei galattici attivi, e resti di supernova. Contengono atomi carichi (ioni) che emettono raggi X osservabili da strumenti satellitari. Gli astrofisici hanno bisogno delle loro linee spettrali per derivare parametri come temperature del plasma o abbondanza di elementi. Due delle linee di raggi X più luminose derivano da atomi di ferro che hanno perso 16 dei loro 26 elettroni, Fe ¹⁶⁺ ioni, noto anche in astrofisica come Fe XVII. Il ferro è piuttosto abbondante nell'universo; permette a stelle simili al nostro sole di bruciare il loro combustibile di idrogeno molto lentamente per miliardi di anni, quasi fermando l'energia che scorre come radiazione dal nucleo di fusione infuocato al, in confronto solo leggermente caldo, superficie stellare.

Da più di quarant'anni, Gli astronomi a raggi X sono stati infastiditi da un serio problema con i due tasti Fe ¹⁶⁺ linee:il rapporto tra le loro intensità misurate è significativamente in disaccordo con le previsioni teoriche. Questo vale anche per le misurazioni di laboratorio, ma le incertezze nell'esperimento e nella teoria sono state troppo grandi per risolvere il problema.

Un team internazionale di 32 ricercatori guidati da gruppi del Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) e del Goddard Space Flight Center della NASA ha appena pubblicato il risultato del suo rinnovato e massiccio sforzo per risolvere questa discrepanza. Hanno eseguito entrambe le misurazioni a più alta risoluzione finora riportate, e diversi calcoli teorici quantistici di alto livello.

Steffen Kuhn, dottorato di ricerca studente presso MPIK e responsabile della configurazione, descrive lo sforzo:"Per eccitare in modo risonante ioni di ferro altamente carichi, li generiamo continuamente con la nostra trappola ionica mobile compatta a fascio di elettroni (PolarX-EBIT) e li irraggiamo con raggi X dal sincrotrone PETRA III a DESY. Troviamo risonanza con le linee scansionando l'energia di sincrotrone nell'intervallo in cui dovrebbero apparire e osservando la luce di fluorescenza. Per gestire il flusso di dati sperimentali, abbiamo avuto colleghi di 19 istituzioni che lavorano a DESY, e analizzando scrupolosamente e verificando i risultati per più di un anno."

Per assicurarsi che tutto sia coerente, i ricercatori hanno combinato tre diverse procedure di misurazione per determinare il rapporto di intensità dei due Fe ¹⁶⁺ Linee, soprannominato 3C e 3-D. Primo, le scansioni complessive hanno rivelato le posizioni delle linee, larghezze e intensità. Secondo, gli sperimentatori hanno impostato l'energia dei fotoni a raggi X in modo che corrisponda alla resa di fluorescenza di picco mentre ciclicamente si attiva e disattiva il fascio di fotoni per eliminare lo sfondo forte. Terzo, scansionarono di nuovo le righe, ma usando allo stesso tempo il trucco on-off per ridurre gli effetti strumentali. "Per di qua, potremmo ricavare il valore attualmente più accurato del rapporto di luminosità, e questo con una risoluzione spettrale dieci volte superiore rispetto a lavori precedenti, "dice Chintan Shah, Borsista post-dottorato della NASA.

"E le proprietà del raggio PETRA III hanno evitato possibili effetti non lineari a seconda del flusso di fotoni di sincrotrone che potrebbero aver influenzato le misurazioni precedenti, " aggiunge Sven Bernitt, ricercatore presso l'Helmholtz Institute Jena. Sorprendentemente, il rapporto di intensità risultante conferma le precedenti misurazioni astrofisiche e di laboratorio con un'incertezza molto ridotta.

Team di teoria intorno a Natalia Oreshkina all'MPIK, DALL'AUSTRALIA, gli Stati Uniti e la Russia hanno applicato tre metodi quantistici relativistici indipendenti su larga scala, lasciando che cluster di centinaia di processori si surriscaldano per settimane. Questa maratona computazionale ha fornito risultati concordanti con un'elevata precisione numerica. Però, mentre la differenza di energia calcolata tra le due linee concorda bene con il valore misurato, il rapporto di intensità si discosta chiaramente dal risultato sperimentale. "Non ci sono altri effetti quantomeccanici noti o incertezze numeriche da considerare all'interno dei nostri approcci, "dice Marianna Safronova, professore all'Università del Delaware.

Così, la causa della discrepanza tra i rapporti di intensità sperimentali e teorici delle linee 3C e 3-D di Fe ¹⁶⁺ rimane sconcertante, poiché anche tutti gli effetti che potrebbero perturbare le misurazioni sono stati per quanto possibile soppressi, e la restante incertezza compresa. Come conseguenza, i parametri astrofisici derivati ​​sulla base delle intensità delle linee di raggi X sono, di qualche grado, incerto. Mentre questo è insoddisfacente, "il nuovo accurato risultato sperimentale può essere immediatamente utilizzato per correggere empiricamente i modelli astrofisici, "dice Maurice Leutenegger, anche un ricercatore della NASA.

"Prossime missioni spaziali con strumentazione a raggi X avanzata, come l'Osservatorio a raggi X Athena dell'ESA, inizierà presto a inviare a terra un incredibile flusso di dati ad alta risoluzione, e dobbiamo essere preparati a capirlo e spremere il massimo valore da quegli investimenti da miliardi di dollari".