На сайте DESY размещена заметка "Four-decade enigma of cosmic X-rays solved".

Очень горячий газ, например, существующий в солнечной короне или в непосредственной близости от черных дыр, излучает интенсивное рентгеновское излучение. Оно показывает, какие физические условия, такие как температура и плотность, там присутствуют. Но в течение десятилетий исследователи боролись с проблемой: отношения интенсивностей важных линий излучения железа, измеренные в лаборатории, не совпадали с рассчитанными. Проблема решена с помощью чрезвычайно точного эксперимента.

Почти все, что мы знаем о далеких звездах, газовых туманностях и галактиках, основано на анализе света, который доходит от них. Точнее, электромагнитных волн, потому что теперь у астрономов есть весь их спектр. Спектральный диапазон, в котором твердое тело или газ излучают наиболее ярко, зависит главным образом от его температуры: чем горячее, тем энергичнее излучение. В космосе более 99 процентов всей видимой материи находится в состоянии плазмы; она настолько горячая, что атомы потеряли один или несколько электронов и появились в виде положительно заряженных ионов. Например, в солнечной короне, видимой во время полного солнечного затмения, присутствует чрезвычайно горячая плазма с температурой более миллиона градусов. Кроме того, они находятся вблизи черных дыр или в виде межгалактического газа между галактиками.

Рентгеновские лучи, испускаемые такой плазмой, обнаруживают отпечатки химических элементов внутри нее. Очень заметными являются спектральные (эмиссионные) линии многократно ионизированного железа.

При анализе рентгеновского спектра сравнивают не только энергии эмиссионных линий, но и отношения интенсивностей характеристических линий. Чтобы иметь возможность делать выводы о свойствах космической плазмы, эти отношения интенсивностей должны быть хорошо известны. Это можно сделать, вычислив их теоретически и проверив экспериментально в лаборатории. До сих пор проблема заключалась именно в этом: квантово-механические расчеты и лабораторные результаты соотношения интенсивностей двух сильных линий, названных 3C и 3D, отличались друг от друга примерно на 20 процентов и ставили под сомнение наше понимание структуры атома, а также доверие к моделям.

Ученые использовали устройство электронно-лучевой ионной ловушки (PolarX-EBIT). Внутри него ионы железа создаются электронным пучком и захватываются магнитным полем. Таким образом, электронный пучок удаляет внешние электроны ионов железа до тех пор, пока не появится желаемый ион Fe. Затем захваченные ионы железа облучают рентгеновским светом подходящей энергии, так что они флуоресцируют. Для этого энергия падающих рентгеновских фотонов должна варьироваться до тех пор, пока не будут точно совмещены нужные линии. Поскольку имеющиеся в продаже источники не могут производить необходимое рентгеновское излучение, PolarX-EBIT пришлось транспортировать в DESY в Гамбурге. Источник синхротронного излучения DESY PETRA III генерирует рентгеновский луч, энергию которого можно настраивать в определенном диапазоне энергий. Таким образом, ионы железа возбуждаются, испуская рентгеновские лучи, которые затем подвергаются спектральному анализу в зависимости от энергии падающего фотона.

Усовершенствовав прибор и схему измерения, ученые получили чрезвычайно улучшенное качество данных, что привело к прорыву: впервые исследуемые эмиссионные линии можно было полностью отделить от соседних линий. Более того, линии 3C и 3D теперь можно было измерить до самого края. Окончательный результат теперь превосходно согласуется с теоретическими предсказаниями. Спектры космических телескопов теперь можно оценивать с большей точностью. Это также относится к двум крупным рентгеновским обсерваториям: Японской миссии рентгеновской спектроскопии изображений (XRISM, май 2023 г.) и рентгеновской обсерватории Athena Европейского космического агентства (запуск в начале 2030-х).