継続的な不一致: 何十年もの間、天体物理学者は、X 線スペクトルで測定された一部のスペクトル線が、理論的に表示されるはずのスペクトル線と異なる理由について頭を悩ませてきました。 今回、初めて実験により、理論的に計算されたスペクトル値を実際に生成することに成功しました。 これは、この信じられないほどエキサイティングな鉄道の矛盾の謎を解決するだけではありません。 新しい発見は、X 線天文学による宇宙プラズマの探索にも役立ちます。
天文学者は、宇宙ガスの雲、太陽コロナ、またはブラック ホールの周囲の急速な降着円盤がどのくらい熱くなっているかを知りたい場合、この降着プラズマの X 線スペクトルを調べます。 それらのX線は、高度に励起された高エネルギー原子によって放出されるため、存在する元素に特徴的な輝線が含まれています。
しかし、スペクトル線のパターンからも、このプラズマがいかに熱いかがわかります。 輝線の波長は、原子のイオン化状態を示しているためです。 プラズマが熱くエネルギーが高いほど、原子から失われる電子が多くなり、これが X 線スペクトルに反映されます。 天体物理学者は、そのようなエキゾチックなプラズマを、理論的に計算されたイオン化レベルと励起状態の値と比較することで分類できます。
鉄道路線はセオリーに合わない
しかし、天体物理学的に重要なスペクトル線だけが抜け出します。 これらは、Fe XVII – 鉄原子からの 2 つの輝線であり、高温プラズマ内の 26 個の電子のうち 16 個が除去されています。 これらの 2 つの線の密度の比率は、宇宙プラズマの温度とその中で行われているプロセスの重要な指標です。 しかし、何十年にもわたって、X 線スペクトルで観測された Fe-XVII 線は、理論計算から約 20% ずれています。
しかし、最も厄介なことは、実験室での実験でさえ、理論値を再現することは不可能です。 物理学者がこれを最後に試みたのは 2020 年です。 しかし、矛盾は残ります。 これは、核物理モデルが間違っている可能性があるかどうかという疑問を提起します?
X線シンクロトロンのイオントラップ付き
この疑問に答えるために、Kuhn と彼の同僚は別の実験を行った。 以前の実験とは異なり、彼らは鉄スペクトルの 2 つの線の強度の比を測定するのではなく、振動子強度と呼ばれる各線の絶対強度を測定しました。 これを行うために、彼らは研究所で新たに開発されたモバイル イオン トラップを使用します。 この場合、XVII 鉄イオンは電子ビームによって生成され、磁場にトラップされます。
次のステップで、研究チームは、ハンブルグのドイツ電子シンクロトロン (DESY) にある PETRA III シンクロトロンからの集束 X 線ビームを使用して、これらのトラップされた鉄イオンを照射しました。このビームのエネルギーは正確に変調できます。 新しいイオン トラップをこの X 線ビームと組み合わせることで、研究者は以前の実験と比較して X 線スペクトルの分解能を 2.5 倍に高めることができました。 信号対雑音比は数千倍に増加しました。
いよいよ試合
彼はこのブレークスルーを達成しました。物理学者は初めて、実験でこれら2つの鉄線の理論値に対応するスペクトル強度を決定しました。 「これにより、17 番目のレールの幅に関する数十年にわたる謎がついに解明されました」と Cohn 氏と同僚は述べています。 観察と理論が最終的に一致し、モデルが確認されました。
この実験では、以前の測定値が一貫してモデルから逸脱している理由も明らかになります。 X線スペクトルの高解像度により、翼に2本の鉄の線が初めて示されたため、各線の外縁にある波長です。 「以前の測定では、この線の側面が地下に隠れていたため、強度の誤解につながっていました」とクーンは説明します。 その結果、オシレーターラインの強度は過小評価されます。
天文学にとって重要な
新しい実験データのおかげで、宇宙望遠鏡からの X 線データを将来的により正確に評価できるようになり、理論的な比較値が正しいモデルに基づいているという確信が持てるようになりました。 これは、すでに宇宙で活動している X 線天文台にとって重要ですが、2023 年に開始される日本の XRISM ミッションや、2030 年代初頭に計画されている ESA のアテネ X 線天文台など、将来の X 線衛星にとっても重要です。
ネバダ大学リノ校の研究以外の物理学者である Roberto Mancini 氏は、「この研究は実験原子物理学における驚くべき成果です」とコメントしています。 「これは、技術的なブレークスルー、優れたデータ分析、および不確実性の特定によって可能になりました。」 (Physical Review Letter, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)
出典: マックス・プランク核物理研究所
