Ionisiertes Eisen: Neue Messung verschärft altes Problem

Seit Jahrzehnten rätseln Astro­physiker über zwei markante Röntgen-Emissions­linien von hoch­ionisiertem Eisen: Ihr gemessenes Intensitäts­verhältnis stimmt nicht mit dem berechneten überein. Das beeinträchtigt die Bestimmung der Temperatur und Dichte von Plasmen. Neue sorgfältige, hochpräzise Messungen und Berechnungen mit modernsten Methoden schließen jetzt alle bisher vorge­schlagenen Erklärungen für diese Diskrepanz aus und verschärfen damit das Problem.

Heiße Plasmen erfüllen den inter­galaktischen Raum und leuchten hell in Stern­atmo­sphären, aktiven Galaxien­kernen und Supernova-Überresten. Sie enthalten Ionen, die Röntgen­strahlen emittieren. Aus diesen Spektral­linien lassen sich beispiels­weise Plasma­tempera­turen und Element­häufig­keiten ableiten. Zwei der hellsten Röntgen­linien stammen von Eisen­atomen, die 16 ihrer 26 Elektronen verloren haben. Fe¹⁶⁺ kommt im Universum häufig vor. Es sorgt dafür, dass Sterne wie unsere Sonne ihren Wasser­stoff­vorrat nur langsam verbrennen, indem es den Strahlungs­transport von Energie aus dem glühenden Fusionskern zu der vergleichs­weise nur mäßig heißen Stern­ober­fläche weit­gehend unter­drückt.

Seit mehr als vierzig Jahren schlagen sich Röntgen-Astronomen mit einem ernst­haften Problem bei den beiden wichtigen Fe¹⁶⁺-Linien herum: Das gemessene Verhältnis ihrer Intensitäten weicht deutlich von theore­tischen Vorher­sagen ab. Das gilt auch für Labor­messungen, aber bisher waren die experi­men­tellen und theoretischen Unsicher­heiten zu groß, um die Angelegen­heit zu klären. Ein inter­nationales Team hat jetzt die Ergebnisse seiner erneuten massiven Anstrengungen diese Diskrepanz zu beseitigen veröffent­licht. Dazu haben die Wissen­schaftler sowohl die bisher höchst­aufge­lösten Messungen als auch mehrere quanten­theoretische Rechnungen mit neuester Methodik durch­geführt.

„Um hochgeladene Eisenionen resonant anzuregen, stellen wir sie kontinuier­lich in unserer kompakten mobilen Elektronen­strahl-Ionen­falle her und bestrahlen sie mit Röntgen­licht des Synchrotrons PETRA III am DESY“, erläutert Steffen Kühn vom MPI für Kernphysik das Verfahren. „Die Resonanz mit den Linien finden wir, indem wir die Energie des Synchrotrons über den Bereich durch­stimmen, in dem sie erscheinen sollten, und die Helligkeit des Fluoreszenz­lichts messen.“

Damit alles widerspruchsfrei ist, haben die Forscher drei verschiedene Messmethoden angewandt, um das Intensitäts­verhältnis der Fe¹⁶⁺-Linien 3C und 3D zu bestimmen. Zuerst ergaben Scans über den gesamten Bereich Linien­positionen, -breiten und -intensitäten. Zweitens haben die Experi­men­tatoren die Energie der Röntgen­photonen auf maximale Hellig­keit des Fluoreszenz­lichts einge­stellt, und dabei den Röntgen­strahl zyklisch ab- und wieder angeschaltet, um den starken Untergrund loszuwerden. Drittens haben sie die Linien erneut gescannt, dabei aber gleich­zeitig den An-Aus-Trick angewandt, um instrumen­telle Effekte zu unter­drücken.

„Auf diese Weise gelang es uns, den derzeit genauesten Wert des Helligkeits­verhält­nisses zu bestimmen, und zwar bei einer zehnmal so hohen spektralen Auflösung wie in früheren Arbeiten“, sagt Chintan Shah von der der NASA. „Und die Eigen­schaften des Strahls von PETRA III haben mögliche nicht­lineare, vom Fluss der Synchrotron­strahlung abhängige Effekte vermieden, die frühere Messungen gestört haben könnten“, ergänzt Sven Bernitt vom Helmholtz-Institut Jena. Bemerkens­werter­weise bestätigt das erhaltene Intensitäts­verhältnis frühere astro­physi­kalische und Labor­messungen bei deutlich verringerter Unsicherheit.

Beteiligte Theorieteams haben drei unabhängige, sehr umfangreiche, relati­vis­tische quanten­theoretische Methoden einge­setzt. Das über­ein­stimmende Ergebnis: Während die berechnete Energie­differenz zwischen den Linien mit dem gemessenen Wert über­ein­stimmt, weicht das Intensitäts­verhältnis klar vom experi­mentellen Ergebnis ab. „Es sind keine weiteren quanten­mecha­nischen Effekte oder numerische Unsicher­heiten bekannt, die wir in unseren Ansätzen berück­sichtigen könnten,“ betont Marianna Safronova von der University of Delaware.

Die Ursache der Diskrepanz zwischen den experi­mentellen und theoretischen Intensitäts­verhältnissen der 3C- und 3D-Linien von Fe¹⁶⁺ bleibt also weiterhin rätselhaft, da auch alle möglicher­weise die Messungen störenden Effekte weitest­gehend unter­drückt und die restlichen Unsicher­heiten verstanden sind. Folglich sind aus Intensitäten von Röntgen­linien abgeleitete astro­physi­kalische Parameter zu einem gewissen Grad unsicher. Gleichwohl „kann man das neue, genaue Mess­resultat unmittelbar zur Korrektur astro­physi­kalischer Modelle verwenden“, so Maurice Leutenegger von der NASA.

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Kühn et al.: High-resolution Photo-excitation Measurements Exacerbate the Long-standing Fe XVII Oscillator-Strength Problem, Phys. Rev. Lett. 124, 225001 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.225001
• AG Dynamik hochgeladener Ionen, Abt. Quantendynamik und -kontrolle, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
• AG Ionic Quantum Dynamics and High-Precision Theory, Abt. Theoretical Quantum Dynamics and Quantum Electrodynamics, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg