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실험은 천문 스펙트럼에서 수십 년 동안 설명되지 않은 불일치를 해결했다.

X선 스펙트럼으로 풀린 미스터리
실험은 천문 스펙트럼에서 수십 년 동안 설명되지 않은 불일치를 제거한다.

지속적인 불일치:
수십 년 동안 천체물리학자들은 X선 스펙트럼에서 측정된 일부 스펙트럼선이 이론과 다르게 보이는 이유에 대해 의아해했다. 이제 처음으로 이론적으로 계산된 스펙트럼 값을 실제로 생성하는 실험에 성공했다. 이것은 이러한 고도로 흥분된 철선의 불일치에 대한 수수께끼를 풀었을 뿐만 아니라, 새로운 발견은 우주 플라즈마 연구에서 X선 ​​천문학을 돕는다. 

▲ 여기 태양의 코로나와 같은 매우 뜨거운 플라스마의 X선 스펙트럼에서 강하게 이온화된 철의 특정 방출선은 플라스마 온도에 대한 중요한 정보를 제공한다. 그러나 지금까지 지속적인 불일치가 있었다. © NASA, NuSTAR/SDO

천문학자들이 우주 가스 구름, 태양의 코로나 또는 블랙홀 주변의 극도로 빠른 강착 원반이 얼마나 뜨거운지 알아내고자 할 때, 그들은 이러한 플라즈마 축적의 X선 스펙트럼을 살펴본다. 그중 일부는 수백만도 뜨겁다. 그들의 X선은 고에너지의 강하게 들뜬 원자에 의해 방출되므로 포함된 원소의 특징적인 방출선을 포함한다.

분광선 패턴은 그러한 플라즈마가 얼마나 뜨거운지를 보여준다. 방출선의 파장이 원자의 이온화 상태를 나타내기 때문이다. 플라즈마가 더 뜨겁고 에너지가 높을수록 원자에서 더 많은 전자가 손실되며 이는 X선 스펙트럼에 반영된다. 천체 물리학자들은 이온화 수준과 들뜬 상태에 대해 이론적으로 계산된 값과 비교해 이러한 이상한 플라즈마를 분류할 수 있다.

철선은 이론에 맞지 않는다

그러나 천체물리학적으로 중요한 일부 스펙트럼선이 열에서 벗어나고 있다. 이들은 철 XVII - 철 원자에서 나온 두 개의 방출선으로, 26개의 전자 중 16개가 뜨거운 플라즈마에서 벗어나게 했다. 이 두 선의 강도 비율은 우주 플라즈마의 온도와 그 안에서 일어나는 과정에 대한 중요한 지표다. 그러나 수십 년 동안 X선 스펙트럼에서 관찰된 Fe-XVII 선은 이론적 계산에서 20% 정도 벗어났다.

▲ 매우 뜨거운 우주 가스의 여기되고 이온화된 원자는 X선을 방출하며, 이 은하에서 파란색 음영으로 보인다. © NASA/JPL-Caltech, STScI/CXC/UofA/ESA/AURA/JHU

더 당황스러운 것은 실험실 실험에서도 이론적 값을 재현하는 것이 불가능했고, 물리학자들은 2020년에 마지막으로 이를 시도했다. 하이델베르크에 있는 막스플랑크 핵 물리학 연구소(MPIK)의 스테펜 퀸(Steffen Kühn)이 보고했다. 불일치는 지속되었다. 이것은 아마도 핵물리학 모델이 ​​틀렸을까 하는 질문을 제기했다.

X선 싱크로트론의 이온 트랩으로

이 문제를 해결하기 위해 Kühn과 그의 동료들은 이제 또 다른 실험을 수행했다. 이전 실험과 달리 그들은 두 개의 철 스펙트럼 선의 강도 비율을 측정하지 않고 개별 선의 절대 강도, 소위 발진기 강도를 측정했다. 이를 위해 연구소에서 새로 개발한 이동식 이온 트랩을 사용했다. 여기에서 철 XVII 이온은 전자빔에 의해 생성되고 자기장에 갇히게 된다.

다음 단계에서 팀은 에너지를 미세하게 조정할 수 있는 함부르크의 독일 전자 싱크로트론(DESY)에서 PETRA III 싱크로트론의 집중된 X선 빔으로 이러한 포획된 철 이온을 조사했다. 새로운 이온 트랩을 이 X선 빔과 결합함으로써 연구원들은 이전 실험에 비해 X선 스펙트럼의 분해능을 2.5배 증가시킬 수 있었다. 신호 대 잡음비가 1000배 향상되었다.

이것은 돌파구를 가져 왔다. 처음으로 물리학자들은 실험에서 이 두 철선의 이론적 값에 해당하는 스펙트럼 강도를 결정했다. "이것은 마침내 Iron XVII 선폭의 수십 년 된 수수께끼를 명확히 한다"고 Kühn과 그의 동료들은 말했다. 관찰과 이론이 마침내 일치하고 모델의 정확성이 확인됐다.

실험은 또한 이전 측정이 모델에서 그렇게 지속적으로 벗어난 이유를 밝혀냈다. X-선 스펙트럼의 고해상도가 처음으로 두 개의 철선을 날개에 바로 보여주었기 때문이다. 즉, 각각의 선의 바깥쪽 가장자리에 있는 파장이다. "이전 측정에서는 이 선의 날개가 아래에 숨겨져 있어 강도를 잘못 해석했다"고 Kühn은 설명했다. 결과적으로 선의 오실레이터 강도가 과소 평가되었다.

▲ X선 싱크로트론 PETRA III에서 PolarX-EBIT 이온 트랩으로 측정하는 동안. © MPI 핵물리연구소

천문학에 중요

새로운 실험 데이터 덕분에 이제 우주 망원경의 X선 데이터를 미래에 더 정확하게 평가할 수 있으며 이론적 비교 값이 올바른 모델을 기반으로 한다는 확신을 가질 수 있다. 이것은 이미 우주에서 활동 중인 X선 관측소뿐만 아니라 2023년에 시작되는 일본 XRISM 미션이나 2030년대 초로 계획된 유럽 우주국 ESA의 Athena X-Ray Observatory와 같은 미래의 X-선 위성에도 적용된다.

"이 작업은 실험적 원자 물리학에서 놀라운 성과를 나타낸다"고 연구에 참여하지 않은 Reno에 있는 Nevada 대학의 물리학자 Roberto Mancini가 논평했다. "이 작업은 실험적 원자 물리학에서 놀라운 성과를 나타낸다. 기술적 혁신, 우수한 데이터 분석 및 불확실성 식별을 통해 가능했다.”
(Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.245001)
출처: 막스플랑크 핵물리연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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