Des divergences continues : Pendant des décennies, les astrophysiciens se sont demandé pourquoi certaines raies spectrales mesurées dans un spectre de rayons X diffèrent de ce qu’elles devraient théoriquement apparaître. Maintenant, pour la première fois, une expérience a réussi à produire en pratique des valeurs spectrales théoriquement calculées. Cela ne résout pas seulement le mystère des incohérences sur ce chemin de fer incroyablement excitant. Les nouvelles découvertes facilitent également la recherche de plasma cosmique par l’astronomie à rayons X.
Lorsque les astronomes veulent savoir à quel point un nuage de gaz cosmique, la couronne solaire ou le disque d’accrétion rapide autour d’un trou noir est chaud, ils regardent les spectres de rayons X de ce plasma d’accrétion, dont certains sont plus chauds de plusieurs millions de degrés. Leurs rayons X sont émis par des atomes de haute énergie très excités et contiennent donc des raies d’émission caractéristiques des éléments présents.
Cependant, le motif des raies spectrales révèle également la chaleur de ce plasma. Parce que la longueur d’onde de la raie d’émission indique l’état d’ionisation de l’atome. Plus le plasma est chaud et énergique, plus il perd d’électrons de ses atomes – et cela se reflète dans le spectre des rayons X. Les astrophysiciens peuvent classer ces plasmas exotiques en les comparant à des valeurs théoriquement calculées de leurs niveaux d’ionisation et de leurs états excités.
La ligne ferroviaire ne correspond pas à la théorie
Mais seules quelques raies spectrales astrophysiquement importantes s’échappent. Il s’agit de deux raies d’émission du Fe XVII – atome de fer, dont 16 des 26 électrons du plasma chaud ont été retirés. Le rapport de la densité de ces deux lignes est un indicateur important de la température du plasma cosmique et des processus qui s’y déroulent. Mais au fil des décennies, la raie Fe-XVII observée dans le spectre des rayons X s’est écartée des calculs théoriques d’environ 20 %.
Mais le plus ennuyeux : même dans des expériences de laboratoire, il est impossible de reproduire des valeurs théoriques ; Les physiciens ont tenté cela pour la dernière fois en 2020. “Nous sommes convaincus que nous avions tous des effets systématiques connus au moment contrôlé pendant les mesures”, rapporte Steffen Kühn de l’Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) à Heidelberg. Mais les contradictions persistent. Cela soulève la question de savoir s’il est possible que le modèle de physique nucléaire soit erroné ?
Avec pièges à ions sur synchrotrons à rayons X
Pour répondre à cette question, Kuhn et ses collègues ont maintenant mené une autre expérience. Contrairement aux expériences précédentes, ils n’ont pas mesuré le rapport des intensités des deux raies du spectre du fer, mais l’intensité absolue de chaque raie, appelée force de l’oscillateur. Pour ce faire, ils utilisent un piège à ions mobile nouvellement développé à l’institut. Dans ce cas, l’ion fer XVII est généré par le faisceau d’électrons et piégé dans un champ magnétique.
Dans l’étape suivante, l’équipe a irradié ces ions de fer piégés à l’aide d’un faisceau de rayons X focalisé du synchrotron PETRA III du synchrotron allemand à électrons (DESY) à Hambourg, dont l’énergie a pu être modulée avec précision. En combinant le nouveau piège à ions avec ce faisceau de rayons X, les chercheurs ont pu augmenter la résolution du spectre de rayons X deux fois et demie par rapport aux expériences précédentes. Le rapport signal sur bruit a augmenté des milliers de fois.
Enfin le match
Il a réalisé cette percée : pour la première fois, les physiciens ont déterminé dans leurs expériences des intensités spectrales qui correspondaient aux valeurs théoriques de ces deux lignes de fer. “Cela dévoile enfin un mystère vieux de plusieurs décennies sur la largeur du 17e rail”, ont déclaré Cohn et ses collègues. L’observation et la théorie ont finalement convenu – et le modèle a été confirmé.
L’expérience révèle également pourquoi les mesures précédentes s’écartent systématiquement du modèle. Parce que la haute résolution du spectre des rayons X a montré pour la première fois deux lignes de fer sur leurs ailes – les longueurs d’onde qui se trouvent sur les bords extérieurs de chaque ligne. “Dans les mesures précédentes, les côtés de cette ligne étaient cachés sous terre, ce qui a conduit à une mauvaise interprétation de l’intensité”, explique Kuhn. En conséquence, la force de la ligne d’oscillateur est sous-estimée.
important pour l’astronomie
Grâce à de nouvelles données expérimentales, les données de rayons X des télescopes spatiaux peuvent désormais être évaluées plus précisément à l’avenir – et avec la certitude que les valeurs de comparaison théoriques sont basées sur des modèles corrects. C’est important pour les observatoires à rayons X déjà actifs dans l’espace, mais aussi pour les futurs satellites à rayons X comme la mission japonaise XRISM à partir de 2023 ou l’observatoire à rayons X d’Athènes de l’ESA, prévu pour le début des années 2030. .
“Ce travail est une réalisation remarquable en physique atomique expérimentale”, a commenté Roberto Mancini, physicien en dehors des études à l’Université du Nevada à Reno. “Cela a été rendu possible grâce à des percées techniques, une excellente analyse des données et l’identification des incertitudes.” (Lettre d’examen physique, 2022 ; doi : 10.1103/PhysRevLett.129.245001)
Source : Institut Max Planck de physique nucléaire
