مراقبة الخطوط الطيفية أكثر وضوحًا

مراقبة الخطوط الطيفية أكثر وضوحًا
تتبع الخطوط الطيفية أكثر وضوحًا - الشكل 1: تمت تسوية نزاع طويل الأمد حول خطوط انبعاث الحديد ، وهو جزء مهم من علم فلك الأشعة السينية ، من قبل الباحثين. في التجربة ، يُرى انبعاث الفلورسنت عندما يضرب ضوء السنكروترون سحابة من ذرات الحديد عالية التأين. أكدت المعلومات التي تم الحصول عليها الحسابات التي أجرتها نفس المجموعة.

لطالما كانت خطوط انبعاث الحديد المستخدمة لوصف البلازما المختبرية والفيزيائية الفلكية لغزا للعلماء. تقنية التشخيص غير الغازية لدراسة البلازما الساخنة في تجارب الاندماج على الأرض وفي البيئات الكثيفة من الفضاء الخارجي هي التحليل الطيفي لخط الأشعة السينية الذرية.

تستخدم هذه الطريقة من قبل Chandra و XMM-Newton ، وهما مقرابان للأشعة السينية موجودان حاليًا في المدار ، لتوفير تفاصيل مهمة حول العمليات الفيزيائية الفلكية المختلفة ، مثل الغاز الساخن في مجموعات المجرات ، وأقراص التراكم حول الثقوب السوداء ، والمغلفات الإكليلية للنجوم. يعد الحديد المتأين ، وخاصة Fe16 شديد التأين (المعروف أيضًا باسم Fe XVII) الذي يحتوي على عشرة إلكترونات مرتبطة مثل ذرة النيون ، من الأنواع المهمة في هذه الظروف. ومع ذلك ، فقد أدى الخلاف طويل الأمد بين القياسات والتقديرات النظرية إلى الحد من استخدام الخطوط الحديدية "الشبيهة بالنيون" المعروفة.

الآن ، أدت الدراسات وتحليل البيانات التي أجراها ستيفن كون وزملاؤه في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في ألمانيا إلى إزالة هذا التفاوت. ستعمل هذه النتيجة على تقليل حالات عدم اليقين ، على سبيل المثال ، أنماط الاضطراب الغازي في المجرات.

عند تحليل البلازما الساخنة ، غالبًا ما تكون خطوط الانبعاث الطيفي هي البيانات الوحيدة المتاحة. يجب مقارنة مثل هذا الطيف بقاعدة بيانات للأطياف التركيبية المحسوبة باستخدام مدخلات مختلفة مثل اضطرابات البلازما والعمليات الذرية والتركيب الذري. أحد هذه المدخلات ، قوة المذبذب ، هو مصدر الصراع مع الحديد الشبيه بالنيون.

يمكن مقارنة سعة التذبذبات الإلكترونية (ثنائية القطب) في الذرة بقوة المذبذب. تعبر هذه الكمية الخالية من الأبعاد عن احتمال انتقال ذري معين لامتصاص الضوء أو إصداره. تتأثر العديد من ميزات الفيزياء الدقيقة في التحليل الطيفي الذري بقوة المذبذب. على سبيل المثال ، تلعب قدرة المذبذب دورًا حاسمًا في العمليات الذرية مثل الإثارة الضوئية ، والانبعاثات المحفزة ، والانحلال الإشعاعي التلقائي. يتم تحديد المستوى السكاني ، أو نسبة الذرات في حالة مثارة معينة ، من خلال التنافس بين هذه العمليات والعمليات الذرية الاصطدامية في البلازما. يمكن تقدير طيف الانبعاث الخطي من البلازما عن طريق إضافة مستوى السكان إلى قوى مذبذب الذرة.

يمكن أن يحدث نقل الإشعاع ، الذي يعتمد مرة أخرى على قوى التذبذب ، حيث يحاول هذا الضوء مغادرة البلازما ويتم امتصاصه بواسطة ذرات أخرى.

تعد نسبة طاقة المذبذب لانبعاثين قويين من خطي 3d-2p في الحديد الشبيه بالنيون المجال الرئيسي للدراسة لكون وزملائه. يعد فهم هذه النسبة أمرًا بالغ الأهمية لتحليل أطياف البلازما الساخنة (درجات الحرارة من 1 إلى 10 مليون درجة مئوية). بينما كشفت القياسات عن قيم نسبة أقل تبلغ حوالي 3.0 ، تشير الحسابات القائمة على النظرية الذرية إلى أن النسبة يجب أن تكون أقرب إلى 3.5. وفقًا لمزيد من التحليل ، قد تكون القيم منخفضة جدًا بسبب التقاء العديد من الخطوط. مطلوب إثارة الحديد المستهدفة والتحليل الطيفي عالي الدقة لحل المشكلة ، لكن هذا الأخير كان مفقودًا بشكل خاص في الدراسات السابقة.

تم قياس نسبة طاقة المذبذب بواسطة Kühn et al باستخدام مجموعة رائدة من التطورات التقنية.

أجرت المجموعة بحثها في موقع Electron Synchrotron الألماني (DESY). استخدم الباحثون PolarX-EBIT ، التي تخلق شعاعًا أحادي الطاقة من الإلكترونات تصطدم بذرات الحديد المستهدفة لإنتاج أيونات عالية الشحنة ، لتكوين أيونات حديدية تشبه النيون. إن جهد الشحنة السالبة الناتج عن نفس الحزمة يحبس الأيونات الناتجة في اتجاه شعاعي عمودي عليها (الشكل 1). لتحليل انتقالات خط 3d-2p في الحديد الشبيه بالنيون ، استخدم الباحثون إشعاع الأشعة السينية من السنكروترون PETRA III لتحليل المستويات العليا من انتقالات 3C (الرنين) و 3 D (التداخل) ، ونسبة قوة المذبذب منها هو موضوع الدراسة.

استخدم الباحثون تقدمين تقنيين لتحقيق دقة لا مثيل لها. أولاً ، قاموا بتبديل طاقة شعاع الإلكترون بانتظام بين دورات السائق والمسبار ، مما زاد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء ألف مرة عن النتائج السابقة التي توصل إليها الفريق. ثانيًا ، من خلال ضبط فتحة بصريات الأشعة السينية والمكونات الأخرى ، حققوا قدرة استبانة طيفية قدرها 2,5 ، وهو 20.000 مرة أفضل من محاولاتهم السابقة.

نتيجة لهذه التغييرات ، كان الفريق قادرًا على التخلص من الحديث المتبادل مع التحولات المجاورة وتوزيعات كثافة الخط الملائمة لنماذج خط Voigt. يتم تمثيل التفاف ملامح خط Gaussian و Lorentzian أو منحنيات توزيع كثافة الخط بواسطة شكل Voigt معين. يرتبط تأثير توسيع دوبلر الناجم عن الحركة المجهرية الحرارية للذرات المنبعثة بالمنحنى الغاوسي. يعتمد تأثير التوسيع الطبيعي الناجم عن العمر المحدود للحالات المثارة على منحنى Lorentzian. كشفت الأبحاث التي أجراها كوهن وزملاؤه لأول مرة عن مساهمة أجنحة لورنتزيان التي كانت مخبأة سابقًا في الخلفية. تم تحديد شدة الخط الكلي بدقة من خلال عزل مساهمة Lorentzian.

نتج عن نسبة شدة الخط هذه أن تكون نسبة طاقة المذبذب لخطي الحديد 3,51.

على الجانب النظري ، راجع كون وزملاؤه حسابات قوة المذبذب. لقد احتاجوا إلى 1,2 مليون تكوينات ذرية في حساباتهم المعقدة لنظرية التركيب الذري ليتمكنوا من إجراء تحليل كامل لتفاعلات التكوين. بفضل عمل الفريق ، يمكن حساب عناصر المصفوفة ثنائية القطب المطلوبة لتقييم قوة المذبذب بدقة. في النهاية ، تطابق كل من القياسات عالية الجودة ونتائج النظرية عالية الجودة الحسابات النظرية السابقة.

هذا العمل هو مثال بارز للفيزياء الذرية التجريبية التي أصبحت ممكنة بفضل التقدم التكنولوجي ، وتحليل البيانات الممتاز ، واكتشاف مصادر عدم اليقين (الإحصائية والمنهجية). إن الحل لهذه المشكلة طويلة الأمد المتمثلة في قوى مذبذب الحديد الشبيه بالنيون هو بعثة مرصد أثينا للأشعة السينية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية والمقرر إطلاقها في عام 2030 ، ومن المتوقع إطلاق بعثة التصوير بالأشعة السينية والتحليل الطيفي التابعة لوكالة استكشاف الفضاء اليابانية في عام 2023. وسوف يتم إطلاقها في عام XNUMX. المساعدة في تحليل الملاحظات الطيفية المستقبلية مثل تلك المتوقعة من البعثة (XRISM).

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

Günceleme: 06/12/2022 13:04

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz