Surveillance des lignes spectrales beaucoup plus claire

Surveillance des lignes spectrales beaucoup plus claire
Traçage des raies spectrales beaucoup plus clair - Figure 1 : Un différend de longue date sur les raies d'émission du fer, une partie importante de l'astronomie des rayons X, a été réglé par des chercheurs. Dans l'expérience, une émission fluorescente est observée lorsque la lumière synchrotron frappe un nuage d'atomes de fer hautement ionisés. Les informations obtenues ont confirmé les calculs effectués par le même groupe.

Les raies d'émission de fer utilisées pour décrire les plasmas de laboratoire et astrophysiques sont depuis longtemps un mystère pour les scientifiques. Une technique de diagnostic non invasive pour étudier les plasmas chauds dans les expériences de fusion sur Terre et dans les environnements denses de l'espace extra-atmosphérique est la spectroscopie atomique à rayons X.

Cette méthode est utilisée par Chandra et XMM-Newton, deux télescopes à rayons X actuellement en orbite, pour fournir des détails importants sur divers processus astrophysiques, tels que les gaz chauds dans les amas de galaxies, les disques d'accrétion autour des trous noirs et les enveloppes coronales des étoiles. Le fer ionisé, en particulier le Fe16 hautement ionisé (également connu sous le nom de Fe XVII) contenant dix électrons liés comme un atome de néon, est une espèce importante dans ces conditions. Cependant, un désaccord de longue date entre les mesures et les estimations théoriques a limité l'utilisation des lignes de fer "de type néon" les plus connues.

Aujourd'hui, des études et des analyses de données menées par Steffen Kühn et ses collègues de l'Institut Max Planck de physique nucléaire en Allemagne ont supprimé cette disparité. Ce résultat réduira les incertitudes concernant, par exemple, les schémas de turbulence des gaz dans les galaxies.

Lors de l'analyse d'un plasma chaud, les raies d'émission spectrales sont souvent les seules données disponibles. Un tel spectre doit être comparé à une base de données de spectres synthétiques calculés à l'aide de diverses entrées telles que les perturbations du plasma, les processus atomiques et la structure atomique. L'une de ces entrées, la puissance de l'oscillateur, est la source du conflit avec le fer de type néon.

L'amplitude des oscillations électroniques (dipôles) dans un atome peut être comparée à la puissance de l'oscillateur. Cette grandeur sans dimension exprime la probabilité qu'une transition atomique donnée absorbe ou émette de la lumière. De nombreuses caractéristiques microphysiques de la spectroscopie atomique sont affectées par la puissance de l'oscillateur. Par exemple, la puissance de l'oscillateur joue un rôle crucial dans les processus atomiques tels que la photoexcitation, l'émission stimulée et la désintégration radiative spontanée. La population de niveau, ou la proportion d'atomes dans un état excité particulier, est déterminée par la compétition entre ces processus et les processus atomiques collisionnels dans le plasma. Le spectre d'émission de raies du plasma peut être estimé en ajoutant la population de niveau aux puissances d'oscillateur de l'atome.

Le transfert de rayonnement, encore une fois dépendant des puissances de l'oscillateur, peut se produire lorsque cette lumière essaie de quitter le plasma et est réabsorbée par d'autres atomes.

Le rapport de puissance de l'oscillateur de deux fortes émissions de ligne 3d-2p dans du fer de type néon est le principal domaine d'étude de Kühn et de ses collègues. La compréhension de ce rapport est cruciale pour analyser les spectres des plasmas chauds (températures de 1 à 10 millions de degrés Celsius). Alors que les mesures ont révélé des valeurs de rapport inférieures d'environ 3.0, des calculs basés sur la théorie atomique suggèrent que le rapport devrait être plus proche de 3.5. Selon une analyse plus approfondie, les valeurs peuvent être trop faibles en raison de la confluence de nombreuses lignes. Une excitation ciblée du fer et une spectroscopie à haute résolution sont nécessaires pour résoudre le problème, mais cette dernière faisait particulièrement défaut dans les études précédentes.

Le rapport de puissance de l'oscillateur a été mesuré par Kühn et al à l'aide d'un ensemble révolutionnaire de développements techniques.

Le groupe a mené ses recherches au Synchrotron électronique allemand (DESY). PolarX-EBIT, qui crée un faisceau monoénergétique d'électrons qui frappe les atomes de fer cibles pour produire des ions hautement chargés, a été utilisé par les chercheurs pour créer des ions de fer qui ressemblent au néon. Le potentiel de charge négative créé par le même faisceau piège les ions résultants dans une direction radiale qui lui est perpendiculaire (Figure 1). Pour analyser les transitions de ligne 3d-2p dans le fer de type néon, les chercheurs ont utilisé le rayonnement X du synchrotron PETRA III pour photoexciter les niveaux supérieurs des transitions 3C (résonance) et 3D (intercombinaison), dont le rapport de puissance de l'oscillateur fait l'objet de l'étude.

Les chercheurs ont utilisé deux avancées techniques pour atteindre une précision inégalée. Tout d'abord, ils ont régulièrement échangé l'énergie du faisceau d'électrons entre les cycles du pilote et de la sonde, multipliant par mille le rapport signal sur bruit par rapport à la découverte précédente de l'équipe. Deuxièmement, en ajustant l'ouverture de l'optique à rayons X et d'autres composants, ils ont atteint une puissance de résolution spectrale de 2,5 20.000, soit XNUMX fois mieux que leurs tentatives précédentes.

Grâce à ces changements, l'équipe a pu éliminer la diaphonie avec les transitions voisines et adapter les distributions de densité de lignes aux formes de lignes de Voigt. La convolution des profils de lignes gaussiens et lorentziens ou des courbes de distribution de densité de lignes est représentée par une forme de Voigt particulière. L'effet d'élargissement Doppler causé par le mouvement microscopique thermique des atomes émetteurs est lié à la courbe gaussienne. L'effet d'élargissement naturel causé par la durée de vie limitée des états excités dépend de la courbe de Lorentz. Les recherches de Kühn et de ses collègues ont révélé pour la première fois la contribution des ailes lorentziennes qui étaient auparavant cachées en arrière-plan. Les intensités globales des raies ont été déterminées précisément en isolant la contribution lorentzienne.

Le rapport de ces intensités de ligne a abouti à un rapport de puissance d'oscillateur des deux lignes de fer de 3,51.

Sur le plan théorique, Kühn et ses collègues ont révisé leurs calculs de puissance d'oscillateur. Ils avaient besoin de 1,2 million de configurations atomiques dans leurs calculs sophistiqués de la théorie de la structure atomique pour pouvoir effectuer une analyse complète des interactions de configuration. Grâce aux travaux de l'équipe, les éléments électriques de la matrice dipolaire nécessaires à l'évaluation de la puissance de l'oscillateur ont pu être calculés avec précision. En fin de compte, ses mesures de haute qualité et ses résultats théoriques de haute qualité correspondaient aux calculs théoriques précédents.

Ce travail est un exemple exceptionnel de physique atomique expérimentale rendue possible par les progrès technologiques, l'excellente analyse des données et la découverte de sources d'incertitude (statistiques et systématiques). La solution à ce problème de longue date des puissances d'oscillateur en fer de type néon est la mission d'observatoire à rayons X Athena de l'Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu en 2030, et la mission d'imagerie et de spectroscopie par rayons X de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, dont le lancement est prévu en 2023. Il contribuera à l'analyse des futures observations spectroscopiques telles que celles attendues de la Mission (XRISM).

Source : physics.aps.org/articles/v15/187

Günceleme: 06/12/2022 13:04

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