Duas proeminentes linhas de emissão de raios-X de ferro altamente carregado intrigam os astrofísicos há décadas porque suas proporções de brilho medidas e calculadas sempre discordam. Isso impede boas determinações das temperaturas e densidades do plasma. Novo, medições cuidadosas de alta precisão, junto com cálculos de nível superior, agora exclui todas as explicações propostas até agora para esta discrepância, e assim aprofundar o problema.

Plasmas astrofísicos quentes preenchem o espaço intergaláctico, e brilham intensamente na corona estelar, núcleos galácticos ativos, e sobras de supernova. Eles contêm átomos carregados (íons) que emitem raios-X observáveis ​​por instrumentos transmitidos por satélite. Os astrofísicos precisam de suas linhas espectrais para derivar parâmetros como temperaturas de plasma ou abundância de elementos. Duas das linhas de raios-X mais brilhantes surgem de átomos de ferro que perderam 16 de seus 26 elétrons, Fe ¹⁶⁺ íons - também conhecidos na astrofísica como Fe XVII. O ferro é bastante abundante no universo; permite que estrelas semelhantes ao nosso sol queimem seu combustível de hidrogênio muito lentamente por bilhões de anos, quase interrompendo o fluxo de energia como radiação do núcleo de fusão de fogo para o, em comparação apenas com calor moderado, superfície estelar.

Por mais de quarenta anos, Astrônomos de raios-X foram incomodados por um problema sério com os dois Fe-chave ¹⁶⁺ linhas:a proporção de suas intensidades medidas discorda significativamente com as previsões teóricas. Isso também vale para medições de laboratório, mas as incertezas na experiência e na teoria têm sido grandes demais para resolver a questão.

Uma equipe internacional de 32 pesquisadores liderados por grupos do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) e do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA acaba de publicar o resultado de seu renovado esforço massivo para resolver essa discrepância. Eles realizaram as duas medições de maior resolução até agora relatadas, e vários cálculos teóricos quânticos de alto nível.

Steffen Kühn, Ph.D. aluno da MPIK e responsável pela configuração, descreve o esforço:"Para excitar ressonantemente íons de ferro altamente carregados, nós os geramos continuamente com nossa armadilha de íons de feixe de elétrons móvel compacto (PolarX-EBIT) e os irradiamos com raios X do síncrotron PETRA III no DESY. Encontramos ressonância com as linhas examinando a energia síncrotron na faixa onde deveriam aparecer e observando a luz de fluorescência. Para lidar com o fluxo de dados experimentais, tínhamos colegas de 19 instituições trabalhando no DESY, e analisar meticulosamente e verificar os resultados por mais de um ano. "

Para se certificar de que tudo é consistente, os pesquisadores combinaram três procedimentos de medição diferentes para determinar a razão de intensidade dos dois Fe ¹⁶⁺ linhas, apelidado de 3C e 3-D. Primeiro, varreduras gerais revelaram posições de linha, larguras e intensidades. Segundo, os experimentalistas ajustaram a energia dos fótons de raios-X para coincidir com o rendimento de fluorescência de pico, enquanto ligavam e desligavam ciclicamente o feixe de fótons para se livrar do fundo forte. Terceiro, eles examinaram as linhas novamente, mas usando o truque liga-desliga ao mesmo tempo para reduzir os efeitos instrumentais. "Por aqui, poderíamos derivar o valor atualmente mais preciso da relação de brilho, e isso com resolução espectral dez vezes maior do que o trabalho anterior, "diz Chintan Shah, Bolsista de pós-doutorado da NASA.

"E as propriedades do feixe PETRA III evitaram possíveis efeitos não lineares dependendo do fluxo de fótons síncrotron que podem ter afetado medições anteriores, "acrescenta Sven Bernitt, pesquisadora do Instituto Helmholtz Jena. Notavelmente, a relação de intensidade resultante confirma medições astrofísicas e laboratoriais anteriores com incerteza muito reduzida.

Equipes de teoria em torno de Natalia Oreshkina no MPIK, da Australia, os EUA e a Rússia aplicaram três métodos teóricos quânticos relativísticos independentes em grande escala, permitindo que os clusters de centenas de processadores funcionem durante semanas. Esta maratona computacional entregou resultados concordantes em alta precisão numérica. Contudo, enquanto a diferença de energia calculada entre as duas linhas concorda bem com o valor medido, a relação de intensidade diverge claramente do resultado experimental. "Não há outros efeitos da mecânica quântica conhecidos ou incertezas numéricas a serem considerados em nossas abordagens, "diz Marianna Safronova, professor da Universidade de Delaware.

Assim, a causa da discrepância entre as razões de intensidade experimental e teórica das linhas 3C e 3-D do Fe ¹⁶⁺ permanece intrigante, uma vez que também todos os efeitos que poderiam perturbar as medições foram suprimidos, tanto quanto possível, e a incerteza restante compreendida. Como consequência, os parâmetros astrofísicos derivados com base nas intensidades da linha de raios-X são, até certo ponto, incerto. Embora isso seja insatisfatório, "o novo resultado experimental preciso pode ser usado imediatamente para corrigir empiricamente os modelos astrofísicos, "diz Maurice Leutenegger, também pesquisador da NASA.

"Próximas missões espaciais com instrumentação de raio-X avançada, como o Observatório de Raios-X Athena da ESA, em breve começará a enviar um fluxo incrível de dados de alta resolução para o solo, e temos que estar preparados para entendê-lo e extrair o máximo valor desses investimentos de bilhões de dólares. "