将来的には、深宇宙望遠鏡のデータを原子モデルに高い信頼性をもって取り込むことが可能になるだろう。 In future it will be possible to incorporate data from deep space telescopes into the underlying atomic models with a high degree of reliability
2022-12-12 マックス・プランク研究所
遠くの星やガス星雲、銀河、宇宙では、目に見える物質の99％以上がプラズマ状態であり、原子が電子を失い、正電荷を帯びたイオンとして存在して高温になっています。
このようなプラズマから放出されるX線は、その中に含まれる化学元素のDNAを示すものです。特に26個の電子のうち16個を失った鉄XVIIの輝線が重要である。これは、鉄が重元素の中で最も多く、しかも広い温度範囲に渡って存在するためです。
X線スペクトルを分析する際には、輝線のエネルギーを比較するだけでなく、特徴的な輝線の強度比も比較する。これは、理論的に計算し、実験室で確認することで可能となる。3Cと3Dという2つの強い線の強度比が、量子力学的な計算と実験室の結果で20％ほどずれていたのです。このため、原子構造の理解や利用されているモデルへの信頼性が疑問視された。
これまでマックス・プランク核物理学研究所（MPIK）の理論チームは、スーパーコンピューターをフル稼働させて、鉄XVIIの3Cと3Dの輝線を最高精度で再計算した。しかし、その食い違いは解消されませんでした。
この厄介な測定に、MPIKの電子ビームイオントラップ装置（PolarX-EBIT）を使用した。この装置で、電子ビームで鉄イオンを生成し、磁場で捕獲する。電子ビームは鉄イオンの外側の電子を除去し、鉄XVIIが生成される。そして、シンクロトロンPETRA IIIで調整したX線ビームを放出し分光分析が行われる。
装置や測定方法を巧妙に改良し、スペクトルの放出量を前回の2倍に増やし、測定ごとに現れる背景干渉を1,000分の1に抑制することに成功した。データの質が大幅に向上し、研究対象の輝線と隣接する輝線を完全に分離できるようになった。3Cと3Dの発光線も外側の限界まで測定できるようになったのだ。「以前の測定では、これらの線の側面が背景に隠れてしまい、強度を誤って解釈していました」とKühn教授は説明する。
「この結果は、天体物理学的なスペクトルの解析に用いられる量子力学計算の信頼性を高めるものです。特に、実験的な基準値が存在しないスペクトル線に対して有効です」と、Kühn 教授はこの新しい成果の意義を説明している。また、深宇宙望遠鏡のスペクトルをより高い精度で評価することができるようになりました。このことは、間もなく宇宙に打ち上げられる2つの大型X線観測装置、日本主導のX線撮像分光装置（XRISM、2023年5月打ち上げ）と欧州宇宙機関（ESA）のアテナX線観測装置（2030年代前半に打ち上げ）にも当てはまると思われます。
＜関連情報＞
- https://www.mpg.de/19660838/deep-space-telescopes-xray-analysis
- https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.245001
天体物理学的に重要な鉄 XVII 振動子の強度問題を解決する新たな測定法を発見 New Measurement Resolves Key Astrophysical Fe XVII Oscillator Strength Problem
Steffen Kühn, Charles Cheung, Natalia S. Oreshkina, René Steinbrügge, Moto Togawa, Sonja Bernitt, Lukas Berger, Jens Buck, Moritz Hoesch, Jörn Seltmann, Florian Trinter, Christoph H. Keitel, Mikhail G. Kozlov, Sergey G. Porsev, Ming Feng Gu, F. Scott Porter, Thomas Pfeifer, Maurice A. Leutenegger, Zoltán Harman, Marianna S. Safronova, José R. Crespo López-Urrutia and Chintan Shah
Physical Review Letters Published 5 December 2022
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.245001
ABSTRACT
One of the most enduring and intensively studied problems of x-ray astronomy is the disagreement of state-of-the art theory and observations for the intensity ratio of two Fe XVII transitions of crucial value for plasma diagnostics, dubbed 3C and 3D. We unravel this conundrum at the PETRA III synchrotron facility by increasing the resolving power 2.5 times and the signal-to-noise ratio thousandfold compared with our previous work. The Lorentzian wings had hitherto been indistinguishable from the background and were thus not modeled, resulting in a biased line-strength estimation. The present experimental oscillator-strength ratio Rexp=f3C/f3D=3.51(2)stat(7)sys agrees with our state-of-the-art calculation of Rth=3.55(2), as well as with some previous theoretical predictions. To further rule out any uncertainties associated with the measured ratio, we also determined the individual natural linewidths and oscillator strengths of 3C and 3D transitions, which also agree well with the theory. This finally resolves the decades-old mystery of Fe XVII oscillator strengths.
