Röntgenlinie löst Sauerstoff-Rätsel

Forscher haben eine lang anhaltende Diskrepanz zwischen den gemessenen Geschwindigkeiten interstellarer Sauerstoff­atome und anderer Elemente in unserer Galaxie behoben: Ein Unterschied von 380 Kilometern pro Sekunde, den astro­physikalische Messungen der Röntgen­absorption durch Sauerstoff­atome ergaben, hatte Astro­physikern Kopfschmerzen bereitet. Bei solchen Geschwindigkeiten könnte sich ein wesentlicher Teil dieses wichtigen Elements im Prinzip von der galaktischen Scheibe verflüchtigen, da die Flucht­geschwindigkeit aus der Milchstraße vom Sonnen­system aus 580 Kilometern pro Sekunde beträgt. Es bestand der Verdacht auf ein Problem mit den Messungen oder Kalibrierungen, aber man kannte den Grund einfach nicht.

Eine Kollaboration zwischen den Gruppen von Maurice Leutenegger, José Crespo und Sven Bernitt vom Goddard Space Flight Center der NASA, dem MPIK, dem Helmholtz-Institut Jena und anderen machte sich mit einer miniaturisierten Elektronen­strahl-Ionenfalle (electron beam ion trap, EBIT) von MPIK auf den Weg zur BESSY II-Synchrotron­quelle nach Berlin, um diese Röntgenabsorption von atomarem Sauerstoff im Labor genau zu messen. Die Apparatur, PolarX-EBIT, kann Ionen in hohen Ladungs­zuständen, wie beispielsweise Stickstoff- oder Sauerstoff­ionen mit nur einem oder zwei verbliebenen Elektronen, ähnlich wie Wasserstoff oder Helium, herstellen.

Hochgeladene Ionen haben Spektrallinien mit Mustern, die denen von Atomen mit der gleichen Anzahl gebundener Elektronen ähnlich sind, die jedoch energetisch in den Röntgenbereich übertragen sind. Es ging darum, die sehr genau theoretisch bekannten Röntgenlinien dieser wasserstoff- und helium­ähnlichen Ionen als Standards für die Energiekalibrierung der Synchrotron­strahlung zu verwenden. Diese neue Methode könnte die Genauigkeit aller bisher verwendeten Kalibrierungs­methoden übertreffen.

Eine mit der PolarX-EBIT verbundene Gasabsorptionszelle aus dem NASA-Inventar ermöglichte es dem MPIK-Doktoranden Steffen Kühn und seinen Teamkollegen, die zuvor verwendeten Röntgen­absorptions­linien für Gase, wie molekularen Sauerstoff und Stickstoff, oder atomares Neon gleichzeitig mit den Kalibrier­linien zu messen. Mit dieser Art von Messaufbau und der hohen Genauigkeit der theoretisch berechneten Energien für die in der PolarX-EBIT gespeicherten Ionen konnten viele systematische Unsicherheiten früherer Methoden ausgeschlossen werden.

Die Datenanalyse ergab, dass die Energiewerte der Absorptions­linien von molekularem Sauerstoff, die in der weltweiten Synchrotron-Community sehr häufig zur Kalibrierung verwendet werden, um 0,45 Elektronenvolt bei 540 Elektronenvolt, das heißt um fast ein Promille, falsch lagen. Der neue Wert impliziert eine „Abbremsung“ des atomaren Sauerstoffs im interstellaren Raum unserer Galaxis um 250 Kilometern pro Sekunde, wodurch dieses Element dann in den „zulässigen“ und typischen Bereich von etwa 100 Kilometern pro Sekunde zurückfällt.

Mit der vorgestellten Methode könnten die Unsicherheiten noch weiter reduziert werden. Die neuen Standards sind bereits so präzise, dass andere bisher unbekannte Probleme bei der Kalibrierung von Mono­chromatoren zutage traten. Es ist auch interessant festzustellen, dass weltraumgestützte Röntgen­teleskope bereits solche Linien hochgeladener Ionen aus kosmischen Quellen als Energie­referenzen verwenden. Das vorliegende Experiment hat nun die zuvor gröbste Unstimmigkeit bei interstellarem Sauerstoff beseitigt. In Zukunft wird es dringend benötigte exakte Röntgen­energie­referenzen nicht nur für die Astrophysik, sondern auch für die Forschung an Synchrotrons bieten, um den ständig wachsenden Anforderungen an die Kalibrierung bei vielen Anwendungen gerecht zu werden.

MPIK / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. A. Leutenegger et al.: High-Precision Determination of Oxygen Kα Transition Energy Excludes Incongruent Motion of Interstellar Oxygen, Phys. Rev. Lett. 125, 243001 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.243001
• Dynamik hochgeladener Ionen (J. Crespo), Max-Planck-Institut für Kernphysik