Laboratuvar ve astrofiziksel plazmaları tanımlamak için kullanılan demir emisyon çizgileri, bilim insanları için uzun zamandır bir gizem olmuştur. Dünya’daki füzyon deneylerinde ve dış uzayın yoğun ortamlarında sıcak plazmaları incelemek için invazif olmayan bir teşhis tekniği atomik x-ışını çizgi spektroskopisidir.
Bu yöntem, şu anda yörüngede bulunan iki x-ışını teleskobu olan Chandra ve XMM-Newton tarafından, galaksi kümelerindeki sıcak gaz, kara deliklerin etrafındaki yığılma diskleri ve yıldızların koronal zarfları gibi çeşitli astrofiziksel süreçler hakkında önemli ayrıntılar sunmak için kullanılmaktadır. İyonize demir, özellikle de bir neon atomu gibi on bağlı elektron içeren yüksek derecede iyonize Fe+16 (Fe XVII olarak da bilinir), bu koşullarda önemli bir türdür. Bununla birlikte, ölçümler ve teorik tahminler arasında uzun süredir devam eden bir anlaşmazlık, en iyi bilinen “neon benzeri” demir çizgilerinin kullanımını kısıtlamıştır.
Şimdi, Almanya’daki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nden Steffen Kühn ve meslektaşları tarafından yapılan çalışmalar ve veri analizi bu eşitsizliği ortadan kaldırdı. Bu sonuç, örneğin galaksilerdeki gaz türbülansı modellerindeki belirsizlikleri azaltacaktır.
Sıcak bir plazmayı analiz ederken, spektral emisyon çizgileri genellikle mevcut tek veridir. Böyle bir spektrumun, plazma bozuklukları, atomik süreçler ve atomik yapı gibi çeşitli girdiler kullanılarak hesaplanan sentetik spektrumlardan oluşan bir veritabanıyla karşılaştırılması gerekir. Bu girdilerden biri olan osilatör gücü, neon benzeri demir ile olan anlaşmazlığın kaynağıdır.
Bir atomdaki elektronik (dipol) salınımların genliği, osilatör gücü ile karşılaştırılabilir. Bu boyutsuz nicelik, belirli bir atomik geçişin ışığı soğurma ya da yayma olasılığını ifade eder. Çok sayıda atomik spektroskopi mikrofiziği özelliği osilatör gücünden etkilenir. Örneğin, osilatör gücü fotouyarma, uyarılmış emisyon ve spontane radyatif bozunma gibi atomik süreçlerde çok önemli bir rol oynar. Seviye popülasyonu veya belirli bir uyarılmış durumdaki atomların oranı, bu süreçler arasındaki rekabet ve plazmadaki çarpışmalı atomik süreçlerle belirlenir. Plazmadan gelen çizgi emisyon spektrumu, atomun osilatör güçlerine seviye popülasyonu eklenerek tahmin edilebilir.
Yine osilatör güçlerine bağlı olan radyasyon transferi, bu ışık plazmayı terk etmeye çalışırken ve diğer atomlar tarafından yeniden emilirken meydana gelebilir.
Neon benzeri demirdeki iki güçlü 3d-2p çizgi emisyonunun osilatör gücü oranı Kühn ve meslektaşları için ana çalışma alanıdır. Bu oranı anlamak, sıcak plazmaların (1-10 milyon derece sıcaklıklar) spektrumlarını analiz etmek için çok önemlidir. Ölçümler 3.0 civarında daha düşük oran değerleri ortaya koymuş olsa da, atom teorisine dayalı hesaplamalar oranın 3.5’e yakın olması gerektiğini göstermektedir. Daha sonraki analizlere göre, birçok çizginin birleşmesi nedeniyle değerler çok düşük olabilir. Sorunu çözmek için hedeflenmiş demir uyarımı ve yüksek çözünürlüklü spektroskopi gereklidir, ancak ikincisi özellikle önceki çalışmalarda eksikti.
Osilatör gücü oranı Kühn ve arkadaşları tarafından çığır açan bir dizi teknik gelişme kullanılarak ölçülmüştür.
Grup araştırmasını Alman Elektron Senkrotronunda (DESY) gerçekleştirdi. Yüksek yüklü iyonlar üretmek için hedef demir atomlarına çarpan monoenerjetik bir elektron ışını oluşturan PolarX-EBIT, araştırmacılar tarafından neona benzeyen demir iyonları oluşturmak için kullanıldı. Aynı ışın tarafından oluşturulan negatif yük potansiyeli, ortaya çıkan iyonları kendisine dik radyal yönde hapsediyor (Şekil 1). Araştırmacılar, neon benzeri demirdeki 3d-2p çizgi geçişlerini analiz etmek için, osilatör gücü oranı çalışmanın konusu olan 3C (rezonans) ve 3D (interkombinasyon) geçişlerinin üst seviyelerini fotoeksite etmek için PETRA III senkrotronundan gelen x-ışını radyasyonunu kullandılar.
Araştırmacılar benzersiz bir hassasiyet elde etmek için iki teknik gelişme kullandılar. İlk olarak, elektron ışını enerjisini sürücü ve sonda döngüleri arasında düzenli olarak değiştirerek sinyal-gürültü oranını ekibin önceki bulgusuna göre bin kat artırdılar. İkinci olarak, x-ışını optiklerinin açıklığını ve diğer bileşenleri ayarlayarak, önceki denemelerinden 2,5 kat daha iyi olan 20.000 spektral çözümleme gücüne ulaştılar.
Ekip, bu değişikliklerin bir sonucu olarak komşu geçişlerle karışmayı ortadan kaldırmayı ve çizgi yoğunluğu dağılımlarını Voigt çizgi formlarına uydurmayı başardı. Gauss ve Lorentzian çizgi profillerinin veya çizgi yoğunluğu dağılım eğrilerinin konvolüsyonu belirli bir Voigt şekli ile temsil edilir. Yayan atomların termal mikroskobik hareketinden kaynaklanan Doppler genişleme etkisi Gauss eğrisi ile bağlantılıdır. Uyarılmış durumların sınırlı yaşam süresinin neden olduğu doğal genişleme etkisi Lorentzian eğrisine bağlıdır. Kühn ve meslektaşları tarafından yapılan araştırma, daha önce arka planda gizlenmiş olan Lorentzian kanatlarının katkısını ilk kez ortaya çıkardı. Lorentzian katkısı izole edilerek genel çizgi yoğunlukları kesin olarak belirlendi.
Bu çizgi yoğunluklarının oranı, iki demir çizgisinin osilatör gücü oranının 3,51 olmasıyla sonuçlanmıştır.
Teorik tarafta, Kühn ve arkadaşları osilatör gücü hesaplamalarını revize ettiler. Konfigürasyon etkileşimlerinin tam bir analizini yapabilmek için sofistike atomik yapı teorisi hesaplamalarında 1,2 milyon atomik konfigürasyona ihtiyaç duydular. Ekibin çalışması sayesinde, osilatör gücünün değerlendirilmesi için gerekli olan elektrik dipol matris elemanları doğru bir şekilde hesaplanabildi. Sonuçta, hem yüksek kaliteli ölçümleri hem de yüksek kaliteli teori sonuçları daha önceki teorik hesaplamalarla eşleşti.
Bu çalışma, teknolojik ilerlemeler, mükemmel veri analizi ve belirsizlik kaynaklarının (istatistiksel ve sistematik) keşfiyle mümkün kılınan deneysel atom fiziğinin olağanüstü bir örneğidir. Neon benzeri demir osilatör güçleriyle ilgili uzun süredir devam eden bu sorunun çözümü, 2030’da fırlatılması planlanan Avrupa Uzay Ajansı’nın Athena x-ışını gözlemevi görevinden ve 2023’te fırlatılması beklenen Japonya Havacılık ve Uzay Keşif Ajansı’nın X-Işını Görüntüleme ve Spektroskopi Görevi’nden (XRISM) beklenenler gibi gelecekteki spektroskopik gözlemlerin analizine yardımcı olacaktır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v15/187
