Нові вимірювання посилюють старі проблемні новини з фізики
Генеалогічне дерево Чумацького Шляху
Повністю інтегрований контроль наноалмазів
Трохи ближче до сонця
Відстані від зірок
Що змушує зірки світити
Вулиця з одностороннім рухом для електронів
У новому підрахуванні знайдені сотні примірників "Ньюсона" (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)
Наша Сонячна система сформувалася менш ніж за 200 000 років
Здоровий для Марса
Нове вимірювання посилює стару проблему
Новини фізики від 2 червня 2020 р. Фізика плазми
Протягом десятиліть астрофізики ламали голову над двома вражаючими лініями випромінювання рентгенівських променів із зарядженого заліза: їх виміряний коефіцієнт яскравості не відповідає розрахунковому. Це впливає на визначення температури та щільності плазми. Нові ретельні, високоточні вимірювання та розрахунки з використанням найсучасніших методів тепер виключають усі запропоновані раніше пояснення цієї невідповідності і тим самим посилюють проблему.
Гарячі астрофізичні плазми заповнюють міжгалактичний простір і яскраво блищать у зоряній атмосфері, активних ядрах галактик та залишках наднових. Вони містять заряджені атоми (іони), які випромінюють рентгенівські промені; це можна спостерігати за допомогою супутникових приладів. Наприклад, астрофізики використовують свої спектральні лінії для отримання температур плазми або частот елементів. Дві найяскравіші рентгенівські лінії походять від атомів заліза, які втратили 16 з 26 своїх електронів, іонів Fe 16+ - також відомих як Fe XVII в астрофізиці. Залізо досить поширене у Всесвіті; він гарантує, що такі зірки, як наше Сонце, лише мільярди років повільно спалюють запас водню, в основному пригнічуючи радіаційний транспорт енергії від світяться ядра синтезу до порівняно помірно гарячої поверхні зірки.
С. Кюн, К. Шах, Дж. Р. Креспо Лопес-Уррутія, К. Фуджі, Р. Штейнбрюгге, Й. Штірхоф, М. Тогава, З. Харман, Н. С. Орешкіна, К. Ченг, М. Г. Козлов, С. Г. Порсєв, М. С. Сафронова, Дж. К. Беренгут, М. Роснер, М. Біссінджер, Р. Балхаузен, Н. Пекло, Парк Сунг-Нам, М. Чунг, М. Хеш, Й. Сельтман, А. С. Суржиков, В. А. Єрохін, Дж. Вільмс, Ф. С. Портер, Т. Шторкер, CH Кейтель, Т. Пфайфер, Г. В. Браун, М. А. Лейтенеггер та С. Бернітт Вимірювання фотозбудження високої роздільної здатності посилюють давню проблему сили осцилятора Fe XVII. Преподобний Летт. 124, 225001 (1 червня 2020 р.)
Понад сорок років рентгенівські астрономи стикалися з серйозною проблемою з двома важливими лініями Fe16 +: виміряне співвідношення їх інтенсивності значно відхиляється від теоретичних прогнозів. Це стосується і лабораторних вимірювань, але дотепер експериментальна та теоретична невизначеності були надто великими, щоб прояснити справу.
Міжнародна група з 32 вчених на чолі з Інститутом ядерної фізики Макса Планка (MPIK) та Центром космічних польотів NASA Годдарда опублікувала результати своїх нових масових зусиль з усунення цієї невідповідності. Для цього вчені провели як раніше вимірювання з найвищою роздільною здатністю, так і кілька квантово-теоретичних розрахунків із використанням новітньої методології.
Складна стратегія вимірювання .
Стеффен Кюн, докторант MPIK, відповідальний за обладнання, описує зусилля: «Для того, щоб стимулювати високозаряджені іони заліза резонансно, ми постійно виробляємо їх у нашій компактній мобільній електронно-променевій пастці іонів (EBIT) і опромінюємо їх рентгенівським світлом від синхротрону PETRA III у DESY. Ми знаходимо резонанс з лініями, налаштовуючи енергію синхротрону на область, в якій вони повинні з'являтися, та вимірюючи яскравість флуоресцентного світла. Колеги з 19 установ, що працюють у DESY (німецька Electron Synchrotron), протягом року допомагали справлятися з величезною кількістю даних, ретельно оцінювати їх та перевіряти результати ".
Щоб упевнитись, що все узгоджується, дослідники використовували три різні методи вимірювання для визначення співвідношення інтенсивності двох ліній Fe 16+, які називаються 3C та 3D. По-перше, сканування по всій площі показало положення ліній, ширину та інтенсивність. По-друге, експериментатори налаштували енергію рентгенівських фотонів на максимальну яскравість флуоресцентного світла і тим самим циклічно вимикали та вмикали рентгенівський промінь, щоб позбутися сильного фону. По-третє, вони знову відсканували рядки, але водночас використали фокус включення-виключення для придушення інструментальних ефектів. "Таким чином, ми змогли визначити найбільш точне значення коефіцієнта яскравості на даний момент із спектральною роздільною здатністю, що в десять разів вищою, ніж у попередній роботі", - говорить Чінтан Шах, докторський науковий співробітник NASA. "А властивості пучка PETRA III уникнули можливих нелінійних ефектів, що залежать від потоку синхротронного випромінювання, який міг би порушити попередні вимірювання", - додає Свен Бернітт з Інституту Гельмгольца в Єні. Примітно, що отриманий коефіцієнт інтенсивності підтверджує попередні астрофізичні та лабораторні вимірювання зі значно зменшеною невизначеністю.
. та додаткові рахунки-фактури
Теоретичні групи, очолювані Наталею Орешкіною в MPIK, з Австралії, США та Росії, використовували три незалежні, дуже великі, релятивістські квантові теоретичні методи, що дозволило кластерам сотень процесорів працювати протягом тижня. Цей комп'ютерний марафон дав стабільні результати з високою числовою точністю. Однак, хоча розрахована різниця енергій між лініями узгоджується з виміряною величиною, коефіцієнт інтенсивності явно відхиляється від експериментального результату. "Немає інших відомих квантово-механічних ефектів чи числових невизначеностей, які ми могли б врахувати у своїх підходах", - підкреслює Маріанна Сафронова, професор Делаверського університету.
Тому причина розбіжностей між експериментальним та теоретичним співвідношенням інтенсивності ліній 3C та 3D Fe16 + залишається загадкою, оскільки всі ефекти, які можуть заважати вимірюванням, в основному придушені, а решта невизначеностей зрозумілі. Отже, астрофізичні параметри, отримані з інтенсивності рентгенівських ліній, певною мірою не визначені. Навіть якщо це незадовільно, "новий, точний результат вимірювання може бути використаний безпосередньо для корекції астрофізичних моделей", рекомендує Моріс Лойтенеггер, також дослідник NASA. "Майбутні космічні місії, такі як рентгенівський телескоп Афіни ESA, з вдосконаленими рентгенівськими приладами, незабаром надішлють на Землю неймовірний потік даних з високою роздільною здатністю, і ми повинні підготуватися до їх розуміння, щоб отримати максимальну віддачу від цієї мільярдної інвестиції".