Uma equipe internacional liderada pelo Heidelberg MPl for Nuclear Physics resolveu um problema de décadas em astrofísica com um experimento de alta precisão.
As razões de intensidade de importantes linhas de radiação de ferro medidas em laboratório desviavam-se daquelas calculadas anteriormente e, portanto, havia incerteza sobre os estados de gases muito quentes derivados dos espectros de raios-X, como na coroa solar ou nas proximidades de preto furos.
Com os novos dados experimentais, o acordo com a teoria foi alcançado. Isso significa que os dados de raios-X dos telescópios espaciais podem ser analisados no futuro com um alto grau de confiança nos modelos atômicos por trás deles.
Gás muito quente, como o que existe na coroa do sol ou nas proximidades de buracos negros, emite intensa radiação de raios-X. Ele revela quais condições físicas, como temperatura e densidade, estão presentes ali. Mas, por décadas, os pesquisadores têm lutado com o problema da discordância entre as proporções medidas e calculadas e, portanto, os parâmetros do gás derivados dos espectros de raios-X. Uma equipe internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg resolveu o problema com um experimento extraordinariamente preciso.
Quase tudo o que sabemos sobre estrelas distantes, nebulosas de gás e galáxias é baseado na análise da luz que recebemos delas. Mais precisamente, das ondas eletromagnéticas, porque os astrônomos agora têm todo o seu espectro em mãos. A faixa espectral na qual um sólido ou um gás irradia mais intensamente depende principalmente de sua temperatura: quanto mais quente, mais energética é a radiação.
No espaço, mais de 99% de toda a matéria visível está no estado de plasma; é tão quente que os átomos perderam um ou mais elétrons e ocorrem na forma de íons carregados positivamente. Por exemplo, plasmas extremamente quentes com temperaturas de mais de um milhão de graus estão presentes na coroa solar visível durante um eclipse solar total. Além disso, eles são encontrados nas proximidades de buracos negros ou como gás intergaláctico entre as galáxias.
Os raios-X emitidos por tais plasmas exibem as impressões digitais dos elementos químicos dentro deles. Muito proeminentes são as linhas espectrais (linhas de emissão) de ferro multi-ionizado, em particular Fe XVII, que perdeu 16 de seus 26 elétrons originais. O motivo: o ferro é comum entre os elementos pesados e o Fe XVII está presente em uma ampla faixa de temperatura.
Ao analisar um espectro de raios X, compara-se não apenas as energias das linhas de emissão, mas também as taxas de intensidade das linhas características. Para poder tirar conclusões sobre as propriedades do plasma cósmico, essas taxas de intensidade devem ser bem conhecidas. É possível fazer isso calculando-os teoricamente e verificando-os experimentalmente em laboratório.
E esse foi apenas o problema até agora: cálculos de mecânica quântica e resultados de laboratório das taxas de intensidade de duas linhas fortes chamadas 3C e 3D desviaram uma da outra em cerca de 20% e questionaram nossa compreensão da estrutura atômica, bem como a confiança em os modelos usados.
Isso foi uma dor de cabeça não só para os astrônomos, mas também para os físicos, porque onde estava o erro, na teoria ou no experimento? Dois anos atrás, a equipe liderada pelo estudante de doutorado Steffen Kühn no Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg realizou o experimento mais preciso até aquela data e, mesmo assim, uma discrepância inexplicável permaneceu.
A equipe teórica do MPIK liderada por Natalia Oreshkina e Zoltan Harman, além de Marianna Safronova e Charles Cheung nos Estados Unidos e Julian Berengut na Austrália, executou supercomputadores a todo vapor para recalcular as linhas de emissão 3C e 3D de Fe-XVII com a mais alta precisão: o discrepância, bem como a questão permaneceu: Quem estava certo?
“Estávamos convencidos de ter todos os efeitos sistemáticos conhecidos na época sob controle”, lembra Kühn. No entanto, numa última tentativa, ele e a equipa de investigação liderada por José Crespo procuraram chegar ao fundo da questão: em vez de medir a relação de intensidade das duas linhas, tentaram medir a força absoluta das transições individuais, também chamada força do oscilador. Mas, para medir a força dessas linhas individuais e identificar o vilão das duas linhas na observação teórica, a qualidade dos dados de medição teve que ser melhorada consideravelmente.
Para esta medição complicada, como parte de sua tese de doutorado, Kühn usou um aparelho Electron Beam Ion Trap (PolarX-EBIT) que havia sido construído no âmbito de um projeto de pós-doutorado Sonja Bernitt no MPIK. Dentro dela, os íons de ferro são produzidos por um feixe de elétrons e presos em um campo magnético. Assim, o feixe de elétrons remove os elétrons externos dos íons de ferro até que o Fe XVII desejado esteja presente. Em seguida, os íons de ferro aprisionados são irradiados com luz de raios-X de energia adequada, de modo que fiquem fluorescentes. Para isso, a energia incidente dos fótons de raios-X deve ser variada até que as linhas desejadas sejam exatamente atingidas.
Como as fontes disponíveis comercialmente não podem produzir a radiação de raios-X necessária, o PolarX-EBIT teve que ser transportado para o DESY em Hamburgo. Lá, o síncrotron PETRA III gera um feixe de raios-X cuja energia pode ser sintonizada em uma faixa de energia específica. Dessa forma, os íons de ferro são excitados para emitir raios-X, que são então analisados espectralmente em função da energia do fóton incidente.
Com melhorias inteligentes no aparelho e no esquema de medição, Kühn e seus colegas Moto Togawa, René Steinbrügge e Chintan Shah conseguiram, durante longos dias e noites curtas na linha de luz PETRAIII, dobrar a resolução dos espectros mais uma vez em comparação com a medição anterior e suprimir o fundo interferente, como ocorre em todas as medições, por um fator de mil.
A enorme melhoria na qualidade dos dados levou ao avanço: pela primeira vez, as linhas de emissão a serem investigadas puderam ser completamente separadas das linhas vizinhas. Além disso, as linhas 3C e 3D agora podem ser medidas até a borda.
“Nas medições anteriores, as asas dessas linhas ficavam escondidas no fundo, levando a uma interpretação errônea das intensidades”, explica Kühn. Maurice Leutenegger, do Goddard Space Flight Center da NASA, que esteve envolvido no experimento como especialista em astrofísica de raios-X, também está muito satisfeito com o resultado: “O resultado final agora está de acordo com as previsões teóricas. Isso também agrada ao teóricos.
“Isso fortalece a confiança nos cálculos de mecânica quântica usados para analisar espectros astrofísicos. Isso se aplica particularmente a linhas para as quais não há valores de referência experimentais”, enfatiza Kühn a importância do novo resultado. Além disso, os espectros dos telescópios espaciais agora podem ser avaliados com maior precisão.
Isso também se aplica a dois grandes observatórios de raios-X que serão lançados em breve no espaço: a X-Ray Imaging Spectroscopy Mission (XRISM, lançada em maio de 2023) liderada pelo Japão e o Athena X-Ray Observatory da Agência Espacial Europeia ESA (lançado no início dos anos 2030).
Publicado em 10/12/2022 05h15
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