Neue Messung verschärft altes Problem

Physik-News vom 02.06.2020


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

Heiße astrophysikalische Plasmen erfüllen den intergalaktischen Raum und leuchten hell in Sternatmosphären, aktiven Galaxienkernen und Supernova-Überresten. Sie enthalten geladene Atome (Ionen), die Röntgenstrahlen emittieren; diese ist mit Satelliteninstrumenten beobachtbar. Astrophysiker verwenden ihre Spektrallinien, um daraus beispielsweise Plasmatemperaturen oder Elementhäufigkeiten abzuleiten. Zwei der hellsten Röntgenlinien stammen von Eisenatomen, die 16 ihrer 26 Elektronen verloren haben, Fe16+-Ionen – in der Astrophysik auch als Fe XVII bezeichnet. Eisen ist im Universum recht häufig; es sorgt dafür, dass Sterne wie unsere Sonne ihren Wasserstoffvorrat nur langsam, in Milliarden von Jahren, verbrennen, indem es den Strahlungstransport von Energie aus dem glühenden Fusionskern zu der vergleichsweise nur mäßig heißen Sternoberfläche weitgehend unterdrückt.


Eine Wolke gespeicherter Eisenionen in Wechselwirkung mit den intensiven Röntgenstrahlen eines Synchrotrons.

Publikation:


S. Kühn, C. Shah, J. R. Crespo López-Urrutia, K. Fujii, R. Steinbrügge, J. Stierhof, M. Togawa, Z. Harman, N. S. Oreshkina, C. Cheung, M. G. Kozlov, S. G. Porsev, M. S. Safronova, J. C. Berengut, M. Rosner, M. Bissinger, R. Ballhausen, N. Hell, SungNam Park, M. Chung, M. Hoesch, J. Seltmann, A. S. Surzhykov, V. A. Yerokhin, J. Wilms, F. S. Porter, T. Stöhlker, C. H. Keitel, T. Pfeifer, G. V. Brown, M. A. Leutenegger, and S. Bernitt
High-resolution Photo-excitation Measurements Exacerbate the Long-standing Fe XVII Oscillator-Strength Problem
Phys. Rev. Lett. 124, 225001 (01.06.2020)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.225001



Seit mehr als vierzig Jahren schlagen sich Röntgenastronomen 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 aus 32 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Führung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) und des NASA Goddard Space Flight Center hat jetzt die Ergebnisse seiner erneuten massiven Anstrengungen diese Diskrepanz zu beseitigen veröffentlicht. Dazu haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowohl die bisher höchst-aufgelösten Messungen als auch mehrere quantentheoretische Rechnungen mit neuester Methodik durchgeführt.


Röntgenspektrum von Capella, aufgenommen mit dem LETG-Instrument des Röntgensatelliten Chandra, und das jetzt mit der PolarX-EBIT im Labor gemessene hochaufgelöste Spektrum der Fe XVII-Röntgenlinien zusammen mit Linie C von Fe XVI.

Ausgeklügelte Messstrategie ...

Steffen Kühn, Doktorand am MPIK und verantwortlich für die Apparatur, beschreibt den Aufwand: „Um hochgeladene Eisenionen resonant anzuregen, stellen wir sie kontinuierlich in unserer kompakten mobilen Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) her und bestrahlen sie mit Röntgenlicht des Synchrotrons PETRA III am DESY. 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. Am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) arbeitende Kollegen von 19 Institutionen haben über ein Jahr lang geholfen, die enorme Datenmenge zu bewältigen, akribisch auszuwerten und die Ergebnisse zu überprüfen.“

Damit alles widerspruchsfrei ist, haben die Forscher drei verschiedene Messmethoden angewandt, um das Intensitätsverhältnis der beiden Fe16+-Linien, genannt 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“, konstatiert Chintan Shah, Postdoc-Stipendiat bei 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.

... und fortschrittliche Rechnungen

Theorieteams um Natalia Oreshkina am MPIK, aus Australien, den USA und Russland haben drei unabhängige, sehr umfangreiche, relativistische quantentheoretische Methoden eingesetzt und damit Cluster aus Hunderten von Prozessoren wochenlang heiß laufen lassen. Dieser Computer-Marathon ergab übereinstimmende Ergebnisse mit hoher numerischer Präzision. Während allerdings 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, Professorin an 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. Auch wenn es unbefriedigend ist, „kann man das neue, genaue Messresultat unmittelbar zur Korrektur astrophysikalischer Modelle verwenden“, empfiehlt Maurice Leutenegger, ebenfalls NASA-Forscher. „Kommende Weltraummissionen, beispielweise das Athena Röntgenteleskop der ESA, mit verbesserter Röntgeninstrumentierung werden bald einen unglaublichen Strom hochaufgelöster Daten zur Erde senden, und wir müssen uns darauf vorbereiten ihn zu verstehen, um aus diesen Milliarden-Dollar-Investitionen den größtmöglichen Ertrag zu ziehen.“


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

Mehr zu den Themen

26.06.2019
Elektrodynamik | Plasmaphysik | Festkörperphysik

Ein Blitz unter Wasser
Elektrochemische Zellen helfen unter anderem dabei, CO2 zu recyceln.
11.10.2022
Elektrodynamik | Plasmaphysik

Neue Lösung für eines der großen Probleme der Fusionsforschung
Aktuelle Experimente und Simulationen zeigen, wie sich zerstörerische Plasma-Instabilitäten in Fusionsreaktoren wie ITER vermeiden lassen.
15.03.2021
Plasmaphysik

Blaupausen für das Fusionskraftwerk
Am 21 März 1991 erzeugte die Experimentieranlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching das erste Plasma.
12.08.2021
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Das Konzept von Wendelstein 7-X bewährt sich
Eines der wichtigsten Optimierungsziele, die der Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald zugrunde liegen, wurde jetzt bestätigt.
19.12.2019
Plasmaphysik | Quantenoptik

Laser-Plasmabeschleuniger ohne Limits
HZDR-Physiker stellen Konzept für laserbasierte Elektronenbeschleuniger vor.
15.01.2019
Festkörperphysik | Plasmaphysik

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern
Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt.
11.07.2019
Teilchenphysik | Plasmaphysik

Experimenteller Mini-Beschleuniger erreicht Rekordenergie
Ein DESY-Forschungsteam hat einen neuen Rekord für einen Miniatur-Teilchenbeschleuniger erzielt: Erstmals hat ein mit Terahertz-Strahlung betriebener Beschleuniger die Energie der injizierten Elektronen mehr als verdoppelt.
28.10.2019
Elektrodynamik | Plasmaphysik

Ein übersehenes Puzzleteil des Sonnendynamos: Forscherteam weist besondere Form magnetischer Instabilität nach
Im rotierenden Plasma der Sonne wirkt ein bis dato unbeachteter Mechanismus: eine magnetische Instabilität, von der Wissenschaftler zuvor dachten, dass sie unter diesen Bedingungen physikalisch unmöglich wäre.
29.08.2018
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Erfolg für Teilchenbeschleuniger der Zukunft: Elektronen reiten Plasmawelle
Physikern könnte sich bald eine neue Tür zu den Geheimnissen des Universums öffnen.
29.01.2020
Kernphysik | Plasmaphysik | Quantenphysik

Quantenlogik-Spektroskopie erschließt Potenzial hochgeladener Ionen
Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) haben erstmals optische Messungen mit bislang unerreichter Präzision an hochgeladenen Ionen durchgeführt.
26.10.2022
Atomphysik | Plasmaphysik | Geschichte der Physik

Vor 40 Jahren: Diese Entdeckung hat ITER erst möglich gemacht
Vor 40 Jahren fanden Physiker am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik einen neuen Plasmazustand, der sich besonders gut für die Energiegewinnung eignen könnte: die H-Mode.
26.11.2018
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Erfolgreiche zweite Experimentrunde mit Wendelstein 7-X
Die von Juli bis November an der Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald gelaufenen Experimente brachten höhere Werte für die Dichte und den Energieinhalt des Plasmas sowie lange Entladungsdauern bis zu 100 Sekunden – Rekordergebnisse für Anlagen vom Typ Stellarator.
03.01.2022
Sterne | Elektrodynamik | Plasmaphysik

Die Sonne ins Labor holen
Warum die Sonnenkorona Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius erreicht, ist eines der großen Rätsel der Sonnenphysik.
28.01.2021
Festkörperphysik | Plasmaphysik

Mit Künstlicher Intelligenz warme dichte Materie verstehen
Die Erforschung warmer dichter Materie liefert Einblicke in das Innere von Riesenplaneten, braunen Zwergen und Neutronensternen.
25.06.2018
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Fusionsanlage Wendelstein 7-X erreicht Weltrekord
Stellarator-Rekord für Fusionsprodukt / Erste Bestätigung der Optimierung Höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den weltweiten Stellarator-Rekord für das Fusionsprodukt hat Wendelstein 7-X in der zurückliegenden Experimentierrunde erreicht.
08.09.2022
Galaxien | Physikdidaktik | Plasmaphysik

Ein Knick im Plasmastrom
Eine internationale Kollaboration konnte einen bisher einmaligen Blick auf die Vorgänge in einem aktiven Galaxienkern gewinnen.
05.06.2019
Plasmaphysik | Quantenoptik

So heiß wie im Inneren der Sonne
Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena erstellen erstmals Plasma mithilfe von Nanoröhrchen und langwelligem, kurzgepulsten Laser.
02.06.2020
Plasmaphysik

Neue Messung verschärft altes Problem
Seit Jahrzehnten rätseln Astrophysiker über zwei markante Röntgen-Emissionslinien von hochgeladenem Eisen: ihr gemessenes Helligkeitsverhältnis stimmt nicht mit dem berechneten überein.
09.02.2022
Plasmaphysik

Fusionsanlage JET stellt neuen Energie-Weltrekord auf
Auf dem Weg zur Energieerzeugung durch Fusionsplasmen haben europäische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einen wichtigen Erfolg erzielt.
28.02.2019
Plasmaphysik

Interview mit Dr. E. Stenson über die sensiblen Antiteilchen der Elektronen: Positronen in der Falle
Erstmals ist es Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) und des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) gelungen, verlustfrei Positronen in einen Magnetfeldkäfig zu bringen.
18.08.2021
Plasmaphysik

Ein Meilenstein der Fusionsforschung
Am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien ist in diesen Tagen ein Durchbruch in der Fusionsforschung geglückt.
02.02.2021
Plasmaphysik | Relativitätstheorie

Wie kommen erdnahe Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit?
Elektronen können in den Van-Allen-Strahlungsgürteln um unseren Planeten ultra-relativistische Energien erreichen und damit nahezu Lichtgeschwindigkeit.
02.07.2020
Kernphysik | Plasmaphysik

Sanfter Wandkontakt – das passende Szenario für ein Fusionskraftwerk
Eine aussichtsreiche Betriebsweise für das Plasma eines späteren Kraftwerks wurde jetzt an der Fusionsanlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching entwickelt.
18.09.2018
Plasmaphysik | Quantenoptik

Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma
Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab.
04.07.2018
Plasmaphysik | Teilchenphysik

IPP-Teststand ELISE erreicht erstes ITER-Ziel
Neutralteilchenheizung für ITER / Strahl schneller Wasserstoff-Teilchen für die Plasmaheizung.
01.02.2022
Plasmaphysik | Quantenoptik | Teilchenphysik

Viel hilft nicht automatisch viel
Um Tumore in sensiblen Körperregionen zu behandeln, etwa dem Gehirn oder den Augen, kommt die Protonentherapie zum Einsatz.
18.12.2019
Thermodynamik | Plasmaphysik

Den Grundlagen der Thermodynamik auf der Spur
Kieler Physiker können in Komplexen Plasmen erstmals die kaum messbare Größe Entropie bestimmen.
30.09.2021
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Strahldiagnostik für zukünftige Beschleuniger im Tischformat
Seit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer - Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“, die auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield) basieren.
17.04.2018
Festkörperphysik | Plasmaphysik | Teilchenphysik

Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden
Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen.
19.11.2020
Plasmaphysik | Quantenoptik

Was Sterne zum Leuchten bringt
Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen.