Просветить вещество звезды лазером - ученым удалось это сделать. Однако, в отличие от спутников и телескопов, физики изучали светящуюся плазму звездных атмосфер не в космосе, а непосредственно в лаборатории: ученые впервые возбудили светящуюся спектральную линию так называемых высокозарядных ионов и точно измерили ее..
Высокозаряженные ионы возникают только при очень высоких температурах в миллионы или даже миллиарды градусов Цельсия - таких же условиях, как и в солнечной короне. В этих экстремальных условиях атомы теряют большую часть своих электронов в результате столкновений друг с другом. У железа, например, остаются только три наиболее прочно связанных с ядром из 26. Эти оставшиеся электроны обладают необычными свойствами: они остаются вблизи, а иногда даже внутри ядра атома и, таким образом, особенно сильно ощущают его электрические и магнитные силовые поля.
Результатом являются сдвиги атомных спектральных линий, которые также в более слабой форме проявляются в нейтральном атоме, но едва различимы в сложном взаимодействии многих электронов. Эти явления описываются квантовой электродинамикой (КЭД), одной из фундаментальных физических теорий. Точное измерение высокозаряженных ионов позволяет экспериментально проверить важные теоретические предсказания КЭД. Поэтому физиков очень интересует этот звездный огонь в лаборатории.
За пределами теоретически возможного
Исследователи под руководством Саши Эппа и Хосе Креспо Лопес-Уррутиа из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге впервые внесли решающий вклад в эту область: они использовали очень точный метод измерения для нейтральных атомов, резонансно-флуоресцентной спектроскопии, для высокозаряженных ионов, и таким образом определил частоту электронного перехода от 23-кратно положительно заряженного железа с точностью до нескольких миллионных долей. По точности их измерение уже превышает пределы сегодняшних теоретических возможностей.
«Квантовая электродинамика в настоящее время является наиболее точной из всех физических теорий», - объясняет Креспо Лопес-Уррутиа: «Однако математические формализмы квантовой электродинамики также играют важную роль в описании всех других известных сил., например в физике высоких энергий Роль. Таким образом, КЭД является краеугольным камнем нашего современного понимания физики». Поэтому неудивительно, что физики во всем мире работают над тем, чтобы все точнее и точнее проверять предсказания КЭД.
Лучи в «мягком» рентгеновском свете
Эксперимент ученых Макса Планка стал возможен только благодаря новому лазеру на свободных электронах FLASH, который недавно стал доступен в DESY в Гамбурге: FLASH, сокращение от LASer на свободных электронах в Гамбурге, является мировым первый лазер, работающий в мягком рентгеновском диапазоне. Поскольку сильно заряженные ионы поглощают и испускают излучение на сравнительно коротких длинах волн, их можно непосредственно возбудить для флуоресценции только с помощью нового рентгеновского лазера. Длина волны, которую излучает FLASH, также может варьироваться и, таким образом, удовлетворяет всем основным требованиям применимости резонансной флуоресцентной спектроскопии.
Ученые производят высокозаряженные ионы для своих экспериментов в специальной ионной ловушке, электронно-лучевой ионной ловушке (EBIT): остро сфокусированный электронный пучок ионизирует атомы внутри EBIT до желаемого состояния заряда, в зависимости от ситуации, насколько велико напряжение, ускоряющее электронный пучок. В то же время сильные электрические и магнитные поля захватывают ионы.
Исследователи производят несколько миллионов сильно заряженных ионов, сконцентрированных на объеме волоса: ионное облако, пораженное рентгеновскими вспышками лазера, имеет длину пять сантиметров, но всего 250 микрометров в толщину. Физики измеряют сигнал флуоресценции с помощью приборов наблюдения, подобных тем, что установлены на борту спутников или в больших телескопах, однако на Земле ученые контролируют состав и температуру накопленного звездного огня с помощью рабочих параметров EBIT.
Более высокая точность благодаря более коротким измерениям
Измерения, подобные тем, что были проведены гейдельбергскими физиками с помощью электронного лазера, в принципе также возможны с использованием обычных методов. Например, излучение, исходящее от звездной плазмы, в лаборатории можно анализировать спектроскопически. Но ученые еще далеко не исчерпали возможности нового лазера: «Просто за счет более длительных измерений и оптимального использования свойств излучения FLASH за счет лучшей настройки и больших детекторов мы можем повысить точность в 100 раз в ближайшем будущем», - объясняет Креспо. Лопес- Уррутия.
В будущем физики также хотят использовать FLASH для измерения того, как долго электрон остается в возбужденном состоянии. В случае сильно заряженных ионов это всего несколько миллиардных долей секунды. Поскольку гамбургский электронный лазер излучает импульсы, длительность которых примерно равна времени, которое электрон проводит на верхнем уровне, это можно определить с помощью рентгеновских вспышек от FLASH. «Подобно тому, как ход атомных часов определяется по радиационным переходам нейтральных атомов, в будущем можно было бы даже определить другой стандарт частоты с высокозаряженными ионами, - говорит Креспо Лопес-Уррутиа, - но это все еще мечта ученых». будущее."