物理问题加深：天体物理学家困惑数十年，排除了所有建议的解释

捕获的铁离子云与来自同步加速器光源的强X射线相互作用。

数十年来，两条带电高的铁的显着X射线发射线使天体物理学家感到困惑：数十年来，它们的测量和计算出的亮度比始终不一致。这阻碍了对等离子体温度和密度的良好确定。现在，经过精心设计的新的高精度测量结果以及顶级计算都排除了迄今为止针对此差异提出的所有解释，从而加深了问题的严重性。

热的天体等离子体充满星系间空间，并在恒星日冕，活跃的银河核和超新星残余中明亮地发光。它们包含带电原子（离子），它们发射出卫星仪器可以观测到的X射线。天体物理学家需要他们的谱线来得出诸如血浆温度或元素丰度之类的参数。X射线中最亮的两条线来自铁原子，这些铁原子失去了26个电子中的16个，即Fe16 +离子-在天体物理学中也称为Fe XVII。铁在宇宙中非常丰富。它使类似于我们太阳的恒星几乎停止了能量从火热聚变核到火星聚变表面的辐射，从而使数十亿年之久的氢燃料燃烧非常缓慢。

四十多年来，X射线天文学家一直受到两个关键的Fe16 +谱线严重问题的困扰：它们的测量强度之比与理论预测大不相同。这也适用于实验室测量，但是实验和理论上的不确定性太大，无法解决问题。

由马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的小组领导的由32名研究人员组成的国际团队刚刚发表了为解决这一矛盾而进行的新的巨大努力的成果。他们已经执行了迄今为止报道的最高分辨率的测量，以及一些顶级的量子理论计算。

精心的测量策略…

MPIK的博士生SteffenKühn负责设置，描述了该工作：“为了共振激发高电荷的铁离子，我们用紧凑的移动电子束离子阱（PolarX-EBIT）连续产生它们，并用DESY的PETRA III同步加速器的X射线照射它们。我们通过在应出现的范围内扫描同步加速器能量并观察荧光来发现这些线的共振。为了处理实验数据流，我们有来自DESY的19个机构的同事，并且辛苦地分析和交叉检查结果超过一年。”

X射线观测台的钱德拉（Chella）Capella（MPE）的LETG（低能透射光栅）光谱以及关键的Fe16 +软X射线线和Fe15 +的C线的PolarX-EBIT高分辨率实验室光谱。

为了确保所有内容都是一致的，研究人员结合了三种不同的测量程序来确定两条Fe16 +线（称为3C和3D）的强度比。首先，整体扫描显示线的位置，宽度和强度。其次，实验者设置X射线光子的能量以匹配峰值荧光产量，同时周期性地关闭和打开光子束以消除强背景。第三，他们再次扫描了线条，但同时使用了开关技巧，以减少乐器效果。“通过这种方式，我们可以得出目前最准确的亮度比值，并且其光谱分辨率是早期工作的十倍”，NASA博士后研究员Chintan Shah说。“而PETRA III光束的特性避免了可能会影响早期测量的取决于同步加速器光子通量的可能的非线性影响，”赫尔姆霍兹研究所耶拿（Helaholtz Institute Jena）研究员Sven Bernitt补充说。值得注意的是，所得到的强度比证实了较早的天体物理学和实验室测量结果，并且不确定性大大降低。

… 和高级计算

来自澳大利亚，美国和俄罗斯的MPIK的Natalia Oreshkina周围的理论小组应用了三种独立的超大规模相对论量子理论方法，使数百个处理器的集群运行了数周之久。此计算马拉松以较高的数值精度提供了一致的结果。但是，尽管计算得出的两条线之间的能量差与测量值非常吻合，但强度比显然偏离了实验结果。“在我们的方法中，没有其他已知的量子力学效应或数值不确定性要考虑，”特拉华大学教授Marianna Safronova强调说。

因此，Fe16 +的3C和3D线的实验强度比和理论强度比之间存在差异的原因仍然令人困惑，因为所有可能干扰测量的影响都被尽可能地抑制了，并且理解了剩余的不确定性。结果，基于X射线线强度得出的天体物理参数在某种程度上是不确定的。虽然这并不令人满意，但“新的准确实验结果可能会立即用于凭经验校正天体物理模型，”美国宇航局研究员莫里斯·莱特涅格（Maurice Leutenegger）建议。“即将使用ESA雅典娜X射线天文台等先进X射线仪器进行的太空任务将很快开始向地面发送令人难以置信的高分辨率数据流，我们必须准备好理解它并从中获取最大价值。这些十亿美元的投资。”

参考：SteffenKühn，Chintan Shah，JoséR. CrespoLópez-Urrutia，Keisuji Fujii，RenéSteinbrügge，Jakob Stierhof，Moto Togawa，ZoltánHarman撰写的“高分辨率的光激发测量加剧了长期存在的Fe XVII振荡器-强度问题”。 Natalia S.Oreshkina，张国荣，Mikhail G.Kozlov，Sergey G.Porsev，Marianna S.Safronova，Julian C.Berengut，Michael Rosner，Matthias Bissinger，Ralf Ballhausen，Natalie Hell，SungNam Park，Moses Chung，Moritz Hoesch，Jörn Seltmann，Andrey S.Surzhykov，Vladimir A.Yerokhin，JörnWilms，F.Scott Porter，ThomasStöhlker，Christoph H.Keitel，Thomas Pfeifer，Gregory V.Brown，Maurice A.Leutenegger和Sven Bernitt，2020年6月1日，身体检查来信。
10.1103 / PhysRevLett.124.225001