Två framträdande röntgenstrålningslinjer av högladdat järn har förbryllat astrofysiker i decennier eftersom deras uppmätta och beräknade ljusstyrka alltid är oense. Detta hindrar goda bestämningar av plasmatemperaturer och densiteter. Ny, noggranna högprecisionsmätningar, tillsammans med högsta beräkningar, uteslut nu alla hittills föreslagna förklaringar till denna skillnad, och därmed fördjupa problemet.

Heta astrofysiska plasma fyller det intergalaktiska utrymmet, och lyser starkt i stjärnkronor, aktiva galaktiska kärnor, och supernovarester. De innehåller laddade atomer (joner) som avger röntgenstrålar som kan observeras av satellitburna instrument. Astrofysiker behöver sina spektrallinjer för att härleda parametrar som plasmatemperaturer eller elementära överflöd. Två av de ljusaste röntgenlinjerna kommer från järnatomer som har tappat 16 av sina 26 elektroner, Fe ¹⁶⁺ joner - även känd inom astrofysik som Fe XVII. Järn är ganska rikligt i universum; det låter stjärnor som liknar vår sol bränna sitt vätebränsle mycket långsamt i miljarder år genom att nästan stoppa energin som strömmar som strålning från den eldiga fusionskärnan till, i jämförelse bara milt hett, stjärnyta.

I mer än fyrtio år har Röntgenstronomer har besvärats av ett allvarligt problem med de två nycklarna Fe ¹⁶⁺ rader:förhållandet mellan deras uppmätta intensiteter håller inte signifikant med teoretiska förutsägelser. Detta gäller även för laboratoriemätningar, men osäkerheter i experiment och teori har varit för stora för att lösa frågan.

Ett internationellt team på 32 forskare som leds av grupper från Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) och NASA Goddard Space Flight Center har just publicerat resultatet av sin förnyade massiva insats för att lösa denna skillnad. De har utfört både de högsta upplösningar som hittills rapporterats, och flera kvantteoretiska beräkningar på toppnivå.

Steffen Kühn, Ph.D. student på MPIK och ansvarig för installationen, beskriver ansträngningen:"Att resonant excitera högladdade järnjoner, vi genererar dem kontinuerligt med vår kompakta mobila elektronstrålejonfälla (PolarX-EBIT) och bestrålar dem med röntgenstrålar från PETRA III-synkrotronen på DESY. Vi finner resonans med linjerna genom att skanna synkrotronenergin över intervallet där de ska visas och observera fluorescensljuset. För att hantera det experimentella dataflödet, vi hade kollegor från 19 institutioner som arbetade på DESY, och noggrant analysera och korskontrollera resultat i mer än ett år. "

För att se till att allt är konsekvent, forskarna kombinerade tre olika mätprocedurer för att bestämma intensitetsförhållandet för de två Fe ¹⁶⁺ rader, kallad 3C och 3D. Först, övergripande skanningar avslöjade linjepositioner, bredd och intensitet. Andra, experimenterna ställde in röntgenfotonernas energi för att matcha topp fluorescensutbytet medan cykliskt stängde av och på fotonstrålen för att bli av med den starka bakgrunden. Tredje, de skannade raderna igen, men använder on-off-tricket samtidigt för att minska instrumentella effekter. "Den här vägen, vi kan härleda det för närvarande mest exakta värdet av ljusstyrkan, och detta med tio gånger högre spektralupplösning än tidigare arbete, "säger Chintan Shah, NASA postdoktor.

"Och egenskaperna hos PETRA III-strålen undvek möjliga icke-linjära effekter beroende på flödet av synkrotronfoton som kan ha påverkat tidigare mätningar, "tillägger Sven Bernitt, forskare vid Helmholtz Institute Jena. Anmärkningsvärt, det resulterande intensitetsförhållandet bekräftar tidigare astrofysiska och laboratoriemätningar med mycket minskad osäkerhet.

Teoriteam kring Natalia Oreshkina på MPIK, från Australien, USA och Ryssland tillämpade tre oberoende relativt storskaliga relativistiska kvantteoretiska metoder, låta kluster av hundratals processorer köra heta i veckor. Detta beräkningsmaraton levererade överensstämmande resultat med hög numerisk precision. Dock, medan den beräknade energiskillnaden mellan de två linjerna överensstämmer väl med det uppmätta värdet, intensitetsförhållandet avviker klart från det experimentella resultatet. "Det finns inga andra kända kvantmekaniska effekter eller numeriska osäkerheter att tänka på inom våra tillvägagångssätt, säger Marianna Safronova, professor vid University of Delaware.

Således, orsaken till skillnaden mellan de experimentella och teoretiska intensitetsförhållandena för 3C- och 3D-linjerna i Fe ¹⁶⁺ förblir förbryllande, eftersom också alla effekter som kunde störa mätningarna så långt som möjligt undertrycktes, och den återstående osäkerheten förstod. Som en konsekvens, astrofysiska parametrar härledda på grundval av röntgenlinjeintensiteter är, till en viss grad, osäker. Även om detta inte är tillfredsställande, "det nya exakta experimentella resultatet kan omedelbart användas för att empiriskt korrigera de astrofysiska modellerna, "säger Maurice Leutenegger, också en NASA -forskare.

"Kommande rymduppdrag med avancerad röntgeninstrumentation, till exempel ESA:s Athena röntgenobservatorium, kommer snart att börja skicka en otrolig ström av högupplöst data till marken, och vi måste vara beredda att förstå det och pressa maximivärdet från dessa miljarder investeringar. "