Memecahkan Misteri dalam Spektrum Sinar-X Eksperimen menghilangkan perbedaan puluhan tahun yang tidak dapat dijelaskan dalam spektrum astronomi

Perbedaan berkelanjutan: Selama beberapa dekade, ahli astrofisika bingung mengapa beberapa garis spektral yang diukur dalam spektrum sinar-X berbeda dari yang seharusnya terlihat secara teoritis. Sekarang, untuk pertama kalinya, sebuah eksperimen berhasil menghasilkan nilai spektral yang dihitung secara teoritis dalam praktiknya. Ini tidak hanya memecahkan misteri ketidakkonsistenan di jalur kereta api yang sangat menarik ini. Temuan baru ini juga membantu pencarian astronomi sinar-X untuk plasma kosmik.

Ketika para astronom ingin mengetahui seberapa panas awan gas kosmik, korona matahari, atau piringan akresi yang sangat cepat di sekitar lubang hitam, mereka melihat spektrum sinar-X dari akresi plasma ini, beberapa di antaranya jutaan derajat lebih panas. Sinar-X mereka dipancarkan oleh atom-atom berenergi tinggi yang sangat tereksitasi dan karenanya mengandung garis-garis emisi yang khas dari unsur-unsur yang ada.

Namun, pola garis spektral juga mengungkapkan seberapa panas plasma ini. Karena panjang gelombang garis emisi menunjukkan keadaan ionisasi atom. Semakin panas dan energik plasma, semakin besar elektron yang hilang dari atomnya – dan ini tercermin dalam spektrum sinar-X. Ahli astrofisika dapat mengklasifikasikan plasma eksotis semacam itu dengan membandingkannya dengan nilai yang dihitung secara teoritis dari tingkat ionisasi dan keadaan tereksitasinya.

Jalur rel tidak sesuai dengan teori

Tetapi hanya beberapa garis spektral yang penting secara astrofisika yang lolos. Ini adalah dua garis emisi dari Fe XVII – atom besi, yang darinya 16 dari 26 elektron dalam plasma panas telah dilepaskan. Rasio kerapatan kedua garis ini merupakan indikator penting suhu plasma kosmik dan proses yang terjadi di dalamnya. Namun selama beberapa dekade, garis Fe-XVII yang diamati pada spektrum sinar-X telah menyimpang dari perhitungan teoritis sekitar 20 persen.

Tetapi hal yang paling menjengkelkan: bahkan dalam percobaan laboratorium, tidak mungkin mereproduksi nilai-nilai teoretis; Fisikawan terakhir mencoba ini pada tahun 2020. “Kami yakin bahwa kami memiliki semua efek sistematis yang diketahui pada saat itu terkendali selama pengukuran,” lapor Steffen Kühn dari Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) di Heidelberg. Tetapi kontradiksi terus berlanjut. Ini menimbulkan pertanyaan apakah mungkin model fisika nuklir itu salah?

Dengan perangkap ion pada sinkrotron sinar-X

Untuk menjawab pertanyaan ini, Kuhn dan rekan-rekannya kini telah melakukan percobaan lain. Tidak seperti percobaan sebelumnya, mereka tidak mengukur rasio intensitas dari dua garis spektrum besi, tetapi intensitas absolut dari masing-masing garis, yang disebut kekuatan osilator. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan perangkap ion bergerak yang baru dikembangkan di institut tersebut. Dalam hal ini, ion besi XVII dihasilkan oleh berkas elektron dan terperangkap dalam medan magnet.

Pada langkah selanjutnya, tim menyinari ion besi yang terperangkap ini menggunakan sinar X-ray terfokus dari sinkrotron PETRA III di German Electron Synchrotron (DESY) di Hamburg, yang energinya dapat dimodulasi dengan tepat. Dengan menggabungkan perangkap ion baru dengan berkas sinar-X ini, para peneliti mampu meningkatkan resolusi spektrum sinar-X dua setengah kali lipat dibandingkan percobaan sebelumnya. Rasio signal-to-noise telah meningkat ribuan kali.

Akhirnya pertandingan

Dia mencapai terobosan ini: Untuk pertama kalinya, fisikawan menentukan intensitas spektrum dalam eksperimen mereka yang sesuai dengan nilai teoretis dari dua garis besi ini. “Ini akhirnya mengungkap misteri puluhan tahun tentang lebar rel ke-17,” kata Cohn dan rekannya. Pengamatan dan teori akhirnya setuju – dan modelnya dikonfirmasi.

Eksperimen tersebut juga mengungkapkan mengapa pengukuran sebelumnya secara konsisten menyimpang dari model. Karena resolusi tinggi dari spektrum sinar-X menunjukkan dua garis besi di sayap mereka untuk pertama kalinya – panjang gelombang yang terletak di tepi luar dari masing-masing garis. “Dalam pengukuran sebelumnya, sisi-sisi garis ini tersembunyi di bawah tanah, yang menyebabkan salah tafsir intensitasnya,” jelas Kuhn. Akibatnya, kekuatan garis osilator diremehkan.

penting untuk astronomi

Berkat data eksperimen baru, data sinar-X dari teleskop luar angkasa sekarang dapat dievaluasi lebih akurat di masa mendatang – dan dengan keyakinan bahwa nilai perbandingan teoretis didasarkan pada model yang benar. Ini penting untuk observatorium sinar-X yang sudah aktif di luar angkasa, tetapi juga untuk satelit sinar-X di masa depan seperti misi XRISM Jepang yang dimulai pada tahun 2023 atau Observatorium Sinar-X Athena milik ESA, yang direncanakan pada awal tahun 2030-an.

“Karya ini merupakan pencapaian luar biasa dalam fisika atom eksperimental,” komentar Roberto Mancini, fisikawan di luar studi di University of Nevada di Reno. “Itu dimungkinkan oleh terobosan teknis, analisis data yang sangat baik, dan identifikasi ketidakpastian.” (Surat Tinjauan Fisik, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)

Sumber: Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir

7 Desember 2022

– Nadia Podbrigar