Deux raies d'émission de rayons X proéminentes de fer hautement chargé ont intrigué les astrophysiciens pendant des décennies parce que leurs rapports de luminosité mesurés et calculés sont toujours en désaccord. Cela empêche de bonnes déterminations des températures et des densités de plasma. Nouveau, mesures minutieuses de haute précision, avec des calculs de haut niveau, exclure maintenant toutes les explications proposées jusqu'à présent pour cet écart, et ainsi approfondir le problème.

Des plasmas astrophysiques chauds remplissent l'espace intergalactique, et brille de mille feux dans les couronnes stellaires, noyaux galactiques actifs, et des restes de supernova. Ils contiennent des atomes chargés (ions) qui émettent des rayons X observables par des instruments satellitaires. Les astrophysiciens ont besoin de leurs raies spectrales pour dériver des paramètres tels que les températures du plasma ou les abondances élémentaires. Deux des raies X les plus brillantes proviennent d'atomes de fer qui ont perdu 16 de leurs 26 électrons, Fe ¹⁶⁺ ions - également connu en astrophysique sous le nom de Fe XVII. Le fer est assez abondant dans l'univers; il permet à des étoiles similaires à notre soleil de brûler leur carburant hydrogène très lentement pendant des milliards d'années en arrêtant presque l'énergie circulant sous forme de rayonnement du noyau de fusion enflammé vers le, en comparaison seulement légèrement chaud, surface stellaire.

Depuis plus de quarante ans, Les astronomes en rayons X ont été dérangés par un grave problème avec les deux clés Fe ¹⁶⁺ lignes :le rapport de leurs intensités mesurées est en désaccord significatif avec les prédictions théoriques. Cela vaut également pour les mesures en laboratoire, mais les incertitudes dans l'expérience et la théorie ont été trop grandes pour régler la question.

Une équipe internationale de 32 chercheurs dirigée par des groupes de l'Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) et du Goddard Space Flight Center de la NASA vient de publier le résultat de ses efforts massifs renouvelés pour résoudre cet écart. Ils ont effectué à la fois les mesures à la plus haute résolution signalées jusqu'à présent, et plusieurs calculs de théorie quantique de haut niveau.

Steffen Kuhn, doctorat étudiant à MPIK et responsable de l'installation, décrit l'effort :"Pour exciter par résonance des ions de fer hautement chargés, nous les générons en continu avec notre piège à ions compact à faisceau d'électrons mobile (PolarX-EBIT) et les irradions avec les rayons X du synchrotron PETRA III de DESY. Nous trouvons la résonance avec les raies en balayant l'énergie synchrotron sur la plage où elles devraient apparaître et en observant la lumière de fluorescence. Pour gérer le flux de données expérimentales, nous avions des collègues de 19 institutions travaillant à DESY, et analyser et recouper méticuleusement les résultats pendant plus d'un an."

Pour s'assurer que tout est cohérent, les chercheurs ont combiné trois procédures de mesure différentes pour déterminer le rapport d'intensité des deux Fe ¹⁶⁺ lignes, surnommé 3C et 3-D. D'abord, les analyses globales ont révélé les positions des lignes, largeurs et intensités. Seconde, les expérimentateurs ont réglé l'énergie des photons de rayons X pour qu'elle corresponde au rendement de fluorescence maximal tout en éteignant et en rallumant cycliquement le faisceau de photons pour se débarrasser du fort arrière-plan. Troisième, ils ont de nouveau scanné les lignes, mais en utilisant en même temps l'astuce on-off afin de réduire les effets instrumentaux. "Par ici, nous pourrions dériver la valeur actuellement la plus précise du rapport de luminosité, et ce avec une résolution spectrale dix fois plus élevée que les travaux antérieurs, " dit Chintan Shah, Stagiaire postdoctoral de la NASA.

"Et les propriétés du faisceau PETRA III ont évité d'éventuels effets non linéaires en fonction du flux de photons synchrotron qui ont pu affecter les mesures antérieures, " ajoute Sven Bernitt, chercheur à l'Institut Helmholtz d'Iéna. Remarquablement, le rapport d'intensité résultant confirme des mesures astrophysiques et de laboratoire antérieures avec une incertitude beaucoup plus réduite.

Des équipes théoriques autour de Natalia Oreshkina au MPIK, d'Australie, les États-Unis et la Russie ont appliqué trois méthodes indépendantes de théorie quantique relativiste à très grande échelle, laisser des grappes de centaines de processeurs fonctionner à chaud pendant des semaines. Ce marathon informatique a livré des résultats concordants avec une précision numérique élevée. Cependant, tandis que la différence d'énergie calculée entre les deux raies concorde bien avec la valeur mesurée, le rapport d'intensité s'écarte clairement du résultat expérimental. "Il n'y a pas d'autres effets de mécanique quantique connus ou d'incertitudes numériques à prendre en compte dans nos approches, " dit Marianna Safronova, professeur à l'Université du Delaware.

Ainsi, la cause de la divergence entre les rapports d'intensité expérimentaux et théoriques des raies 3C et 3-D de Fe ¹⁶⁺ reste déroutant, étant donné que tous les effets qui pourraient perturber les mesures ont été autant que possible supprimés, et l'incertitude restante comprise. En conséquence, les paramètres astrophysiques dérivés sur la base des intensités des raies X sont, dans une certaine mesure, incertain. Bien que cela ne soit pas satisfaisant, "le nouveau résultat expérimental précis peut être immédiatement utilisé pour corriger empiriquement les modèles astrophysiques, " dit Maurice Leutenegger, également chercheur à la NASA.

« Missions spatiales à venir avec une instrumentation à rayons X avancée, comme l'observatoire de rayons X Athena de l'ESA, va bientôt commencer à envoyer un flux incroyable de données haute résolution au sol, et nous devons être prêts à le comprendre et à tirer le maximum de valeur de ces investissements d'un milliard de dollars."