Rätsel im Röntgenspektrum gelöst – Experiment beseitigt jahrzehntelang ungeklärte Diskrepanzen in astronomischen Spektren

Hartnäckige Diskrepanzen: Seit Jahrzehnten fragen sich Astrophysiker, warum in manchen Röntgenspektren gemessene Spektrallinien anders aussehen, als sie theoretisch sollten. Erstmals war es möglich, die theoretisch berechneten Spektralwerte in der Praxis mit einem Experiment herzustellen. Damit ist nicht nur das Rätsel der Widersprüche in diesen hocherregten Eisenleitungen gelöst. Die neuen Ergebnisse helfen auch der Röntgenastronomie bei der Erforschung kosmischer Plasmen.

Kosmische Brillanz
Angeregte und ionisierte Atome extrem heißer kosmischer Gase senden Röntgenstrahlen aus, die in dieser Galaxie in Blautönen sichtbar sind. © NASA/JPL-Caltech, STScI/CXC/UofA/ESA/AURA/JHU

Wenn Astronomen herausfinden wollen, wie heiß die kosmischen Gaswolken, die Korona der Sonne oder die extrem schnellen Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher sind, untersuchen sie die Röntgenspektren dieser teils Millionen Grad heißen Plasmaansammlungen. Ihre Röntgenstrahlen werden von energiereichen, hochangeregten Atomen ausgesandt, weshalb sie die charakteristischen Emissionslinien der Elemente in sich tragen.

Das Spektrallinienmuster verrät aber auch, wie heiß ein solches Plasma ist. Denn die Wellenlänge der Emissionslinien zeigt den Ionisationszustand der Atome. Je heißer und energiereicher ein Plasma ist, desto mehr Elektronen sind aus seinen Atomen verloren gegangen – und das spiegelt sich im Röntgenspektrum wider. Astrophysiker können solche seltsamen Plasmen klassifizieren, indem sie sie mit theoretisch berechneten Werten von Ionisationsniveaus und angeregten Zuständen vergleichen.

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Die eisernen Linien passen nicht zur Theorie

Aber nur wenige astrophysikalisch wichtige Spektrallinien sind aus der Reihe. Das sind zwei Emissionslinien von Eisen XVII – Eisenatomen, von denen 16 ihrer 26 Elektronen im heißen Plasma eingefangen wurden. Das Intensitätsverhältnis dieser beiden Linien ist der entscheidende Indikator für die Temperatur kosmischer Plasmen und die darin ablaufenden Prozesse. Doch jahrzehntelang wichen die in Röntgenspektren beobachteten Fe-XVII-Linien um 20 Prozent von theoretischen Berechnungen ab.

Noch ärgerlicher als das: Selbst in Laborexperimenten ließen sich die theoretischen Werte nicht reproduzieren, Physiker haben dies zuletzt 2020 versucht. „Wir waren davon überzeugt, dass wir bei der Messung alle damals bekannten systematischen Effekte unter Kontrolle gehalten haben.“ Steffen Kühn, Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg. Aber die Unterschiede blieben. Dies warf die Frage auf, ob nuklearphysikalische Modelle falsch sein könnten?

Mit der Ionenfalle im Röntgensynchrotron

Der Frage auf den Grund gegangen, haben Kühn und seine Kollegen nun ein weiteres Experiment durchgeführt. Im Gegensatz zu früheren Experimenten wurde nicht das Intensitätsverhältnis der beiden Eisen-Spektrallinien gemessen, sondern die absolute Intensität der einzelnen Linien, die Stärke des sogenannten Oszillators. Dazu wurde am Institut eine neu entwickelte mobile Ionenfalle eingesetzt. Dabei werden Eisen XVII-Ionen durch einen Elektronenstrahl erzeugt und in ein Magnetfeld eingeschlossen.

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Messung
Bei Messungen mit der Ionenfalle PolarX-EBIT am Röntgensynchrotron PETRA III. © MPI für Kernphysik

Diese eingefangenen Eisen-Ionen bestrahlte das Team im nächsten Schritt mit einem fokussierten Röntgenstrahl, dessen Energie fein eingestellt werden kann, vom Synchrotron PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Durch die Kombination der neuen Ionenfalle mit diesem Röntgenstrahl konnten die Forscher die Auflösung des Röntgenspektrums im Vergleich zu früheren Experimenten um das Zweieinhalbfache steigern. Das Signal-Rausch-Verhältnis hat sich um das Tausendfache verbessert.

Endlich ein Streichholz

Das brachte den Durchbruch: Die Physiker bestimmten in ihrem Experiment erstmals eine spektrale Intensität, die den theoretischen Werten dieser beiden Eisenlinien entsprach. „Damit ist endlich das jahrzehntelange Rätsel um die Strichstärken von Eisen XVII gelüftet“, behaupten Kühn und Kollegen. Schließlich stimmen Beobachtung und Theorie überein – und die Modelle haben sich als richtig erwiesen.

Das Experiment zeigte auch, warum die bisherigen Messungen so hartnäckig von den Modellen abwichen. Denn die hohe Auflösung der Röntgenspektren zeigte erstmals die beiden Eisenlinien direkt in ihren Flügeln – die Wellenlängen, die an den Außenkanten der entsprechenden Linien liegen. „Bei früheren Messungen waren die Flügel dieser Linien im Untergrund verborgen, was zu einer falschen Interpretation der Intensitäten führte“, erklärt Kühn. Dadurch wurden die Oszillatorstärken der Linien unterschätzt.

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Es ist wichtig für die Astronomie

Dank der neuen experimentellen Daten können Röntgendaten von Weltraumteleskopen künftig genauer ausgewertet werden – und Sie können sicher sein, dass die theoretischen Vergleichswerte auf den richtigen Modellen basieren. Dies ist wichtig für bereits im Weltraum betriebene Röntgenobservatorien, aber auch für zukünftige Röntgensatelliten wie die japanische XRISM-Mission, die 2023 starten soll, oder das ESA-Röntgenobservatorium Athena der Europäischen Weltraumorganisation, dessen Start geplant ist im Jahr 2023. Anfang der 2030er Jahre.

“Diese Arbeit stellt eine bemerkenswerte Errungenschaft in der experimentellen Kernphysik dar”, kommentierte Roberto Mancini, ein Physiker außerhalb der Studie an der University of Nevada, Reno. “Möglich wurde dies durch technische Durchbrüche, exzellente Datenanalyse und die Identifizierung von Unsicherheiten.” (Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)

Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik

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