Dos prominentes líneas de emisión de rayos X de hierro altamente cargado han desconcertado a los astrofísicos durante décadas porque sus proporciones de brillo medidas y calculadas siempre discrepan. Esto dificulta las buenas determinaciones de las temperaturas y densidades del plasma. Nuevo, mediciones cuidadosas de alta precisión, junto con cálculos de nivel superior, excluir ahora todas las explicaciones propuestas hasta ahora para esta discrepancia, y así profundizar el problema.

Plasmas astrofísicos calientes llenan el espacio intergaláctico, y brillar en coronas estelares, núcleos galácticos activos, y restos de supernovas. Contienen átomos cargados (iones) que emiten rayos X observables por instrumentos transportados por satélites. Los astrofísicos necesitan sus líneas espectrales para derivar parámetros como las temperaturas del plasma o las abundancias elementales. Dos de las líneas de rayos X más brillantes surgen de átomos de hierro que han perdido 16 de sus 26 electrones, Fe ¹⁶⁺ iones, también conocidos en astrofísica como Fe XVII. El hierro es bastante abundante en el universo; permite que estrellas similares a nuestro sol quemen su combustible de hidrógeno muy lentamente durante miles de millones de años al casi detener la energía que fluye como radiación desde el núcleo de fusión ardiente al, en comparación solo un poco caliente, superficie estelar.

Durante más de cuarenta años, A los astrónomos de rayos X les ha molestado un grave problema con las dos Fe clave ¹⁶⁺ líneas:la relación de sus intensidades medidas discrepa significativamente con las predicciones teóricas. Esto también se aplica a las mediciones de laboratorio, pero las incertidumbres en el experimento y la teoría han sido demasiado grandes para resolver el problema.

Un equipo internacional de 32 investigadores dirigido por grupos del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA acaba de publicar el resultado de su renovado esfuerzo masivo para resolver esta discrepancia. Han realizado tanto las mediciones de mayor resolución hasta ahora reportadas, y varios cálculos teóricos cuánticos de alto nivel.

Steffen Kühn, Doctor. estudiante en MPIK y responsable de la instalación, describe el esfuerzo:"Para excitar resonantemente iones de hierro altamente cargados, los generamos continuamente con nuestra trampa de iones de haz de electrones móvil compacto (PolarX-EBIT) y los irradiamos con rayos X del sincrotrón PETRA III en DESY. Encontramos resonancia con las líneas escaneando la energía del sincrotrón en el rango donde deberían aparecer y observando la luz de fluorescencia. Para manejar el flujo de datos experimentales, teníamos colegas de 19 instituciones trabajando en DESY, y analizar minuciosamente y cotejar los resultados durante más de un año ".

Para asegurarse de que todo sea coherente, Los investigadores combinaron tres procedimientos de medición diferentes para determinar la relación de intensidad de los dos Fe ¹⁶⁺ líneas, apodado 3C y 3-D. Primero, los escaneos generales revelaron posiciones de línea, anchos e intensidades. Segundo, los experimentadores establecen la energía de los fotones de rayos X para que coincida con el rendimiento máximo de fluorescencia mientras apagan y encienden cíclicamente el haz de fotones para eliminar el fondo fuerte. Tercera, volvieron a escanear las líneas, pero usando el truco on-off al mismo tiempo para reducir los efectos instrumentales. "De esta manera, podríamos derivar el valor actual más preciso de la relación de brillo, y esto con una resolución espectral diez veces mayor que el trabajo anterior, "dice Chintan Shah, Becario postdoctoral de la NASA.

"Y las propiedades del haz de PETRA III evitaron posibles efectos no lineales dependiendo del flujo de fotones de sincrotrón que pueden haber afectado a las mediciones anteriores, "añade Sven Bernitt, investigador del Helmholtz Institute Jena. Notablemente, la relación de intensidad resultante confirma las mediciones astrofísicas y de laboratorio anteriores con una incertidumbre mucho menor.

Equipos teóricos en torno a Natalia Oreshkina en el MPIK, de Australia, Estados Unidos y Rusia aplicaron tres métodos teóricos cuánticos relativistas independientes a muy gran escala, dejar que grupos de cientos de procesadores se calienten durante semanas. Este maratón computacional arrojó resultados concordantes con una alta precisión numérica. Sin embargo, mientras que la diferencia de energía calculada entre las dos líneas concuerda bien con el valor medido, la relación de intensidad se aparta claramente del resultado experimental. "No hay otros efectos mecánicos cuánticos conocidos o incertidumbres numéricas que considerar dentro de nuestros enfoques, "dice Marianna Safronova, profesor de la Universidad de Delaware.

Por lo tanto, la causa de la discrepancia entre las relaciones de intensidad experimental y teórica de las líneas 3C y 3-D de Fe ¹⁶⁺ sigue siendo desconcertante, dado que también se suprimieron en la medida de lo posible todos los efectos que pudieran perturbar las mediciones, y la incertidumbre restante comprendida. Como consecuencia, Los parámetros astrofísicos derivados sobre la base de las intensidades de la línea de rayos X son, hasta cierto grado, incierto. Si bien esto no es satisfactorio, "el nuevo resultado experimental exacto puede usarse inmediatamente para corregir empíricamente los modelos astrofísicos, "dice Maurice Leutenegger, también investigador de la NASA.

"Próximas misiones espaciales con instrumentación avanzada de rayos X, como el Observatorio de rayos X de Athena de la ESA, pronto comenzará a enviar un flujo increíble de datos de alta resolución a tierra, y tenemos que estar preparados para entenderlo y exprimir el valor máximo de esas inversiones de miles de millones de dólares ".