Röntgen- und UV-Astrophysik im Labor
Die Spektren astrophysikalischer Objekte im UV- und Röntgen-Bereich weisen häufig eine Vielzahl Emissions- und Absorptions-Linien auf, die von hochgeladenen Ionen stammen. Die beobachteten Wellenlängen und Stärken dieser Linien könne dazu dienen, wertvolle Informationen über die Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und Dynamik der Objekte zu erhalten. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist ein tiefreichendes Verständnis der zugrundeliegenden atomphysikalischen Prozesse. Die kompakte Elektronenstrahlionenfalle PolarX-EBIT wurde dazu entwickelt, an Strahlungsquellen wie dem Synchrotron PETRA IIIExterner Link in Hamburg die Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen und Photonen zu untersuchen. Diese Experimente, sowie geplante komplementierende Messungen am Speicherring CRYRING@ESRExterner Link in Darmstadt, helfen dabei, existierende Modelle astrophysikalischer Plasmen zu verfeinern.
PolarX-EBIT bei PETRA III, Fallenzentrum mit gespeicherten hochgeladenen Ionen sichtbar in der Bildmitte
Foto: Marta Mayer (DESY)Die PolarX-EBIT wurde in enger Zusammenarbeit von Mitarbeitern der Universität Jena, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK)Externer Link in Heidelberg und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)Externer Link in Braunschweig entworfen, gebaut und in Betrieb genommen. Gefördert wurde dies mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Sie verwendet einen Strahl elektrostatisch beschleunigter Elektronen, um Gasatome durch Stoß schrittweise in hohe Ladungszustände zu ionisieren. Dabei wird der Strahl geführt und komprimiert durch ein Magnetfeld, welches mit Hilfe von 72 Neodym-Permanentmagneten erzeugt wird. Der negativ geladene Elektronenstrahl zieht die positiv geladenen Ionen an und hält sie im Zentrum der Falle gefangen. Dort können sie mit von außen kommender UV- oder Röngten-Strahlung wechselwirken, während Detektoren die Spektren der resultierenden Fluoreszenz aufzeichnen. In enger Zusammenarbeit mit einer Vielzahl internationaler Kollaborationspartner, unter anderem vom NASA Goddard Space Flight Center (GSFC)Externer Link, dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)Externer Link und der Dr.-Karl-Remeis-Sternwarte BambergExterner Link, konnten auf diese Weise bereits mehrere Experimente zu astrophysikalischen Fragestellungen durchgeführt werden.
In Vorbereitung befindet sich derzeit ein davon unabhängiges Experiment am Speicherring CRYRING@ESR zur Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen mit neutralem Gas. Von besonderem Interesse ist dabei die UV- und Röntgen-Strahlung, welche auftritt, wenn Ionen Elektronen vom neutralen Gas einfangen. Dieser Ladungsaustausch-Prozess ist von erheblichem Interesse für die Interpretation von astrophysikalischen Röntgen-Spektren.
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Referenzen:
[1] M. A. Leutenegger et al., Phys. Rev. Lett 125, 243001 (2020), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.243001Externer Link
[2] S. Kühn et al., Phys. Rev. Lett 124, 225001 (2020), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.225001Externer Link
[3] P. Micke et al., Rev. Sci. Instrum. 89, 063109 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5026961Externer Link
[4] C. Shah et al., ApJ 833, 52 (2016), https://doi.org/10.3847/1538-4357/833/1/52Externer Link