In den Plasmen astrophysikalischer Objekte, wie Gashüllen von Sternen, finden sich Ionen unterschiedlicher Elemente wie Eisen oder Sauerstoff. Jedes Element erzeugt charakteristische Röntgenstrahlung, so genannte Emissionslinien. Diese sind sozusagen der Röntgen-Fingerabdruck eines Elements. Die Gesamtheit aller Röntgen-Emissionen eines astrophysikalischen Objekts bildet dessen Röntgen-Spektrum, das von Satelliten im Erdorbit wie Chandra (NASA) oder XMM-Newton (ESA) erfasst wird. Modelle, die solche Röntgenspektren beschreiben, sind sehr wichtig für Astrophysiker. Denn sie tragen zur Erklärung wichtiger astrophysikalischer Vorgänge bei, wie etwa den Energietransport in einem Stern und damit zur errechneten Farbe, Größe oder Temperatur eines Sterns.

Besonders interessieren sich die Wissenschaftler in diesem Zusammenhang für das Element Eisen. Denn hochgeladenes Eisen erzeugt einige der hellsten Röntgen-Emissionslinien, die überhaupt von heißen astrophysikalischen Objekten ausgehen. Doch das Röntgen-Spektrum des Eisens, insbesondere das von 16-fach positiv geladenen Eisenionen (Fe¹⁶⁺), lässt sich mit Hilfe von theoretischen Modellen nur unbefriedigend erklären. Insbesondere die Intensität einer der stärksten Emissionslinien von Fe¹⁶⁺ schätzen diese verglichen mit derjenigen einer benachbarten Linie Modelle höher ein als sie beobachtet wird. "Mit unserem Experiment tragen wir nun dazu bei, die Kontroverse über die Ursachen für die mangelhafte Erklärungskraft der Modelle zu beenden", sagt José R. Crespo López-Urrutia vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. Der Physiker hat mit einem internationalen Forscherteam nun die Röntgenemission von Fe¹⁶⁺ genau analysiert.

Das Prinzip der Spektroskopie besteht darin, die Ionen durch Energiezufuhr zur Emission von Lichtteilchen (Photonen) zu bringen und das dabei entstehende Spektrum aufzuzeichnen. Doch um die Kontroverse zu beenden, müssten Forscher unterscheiden können, welche Photonen durch Energiezufuhr über Stöße zwischen Elektronen und Ionen entstehen und welche von der direkten energetischen Anregung der Ionen etwa mit Licht herrühren. Bei der Anregung durch Stöße wird zunächst gleichsam die Elektronenhülle durcheinander geschüttelt und ein Photon über Zwischenschritte emittiert. Da die Energiezufuhr bislang durch Erhitzen erfolgte, konnten Physiker diese Unterscheidung nicht treffen. Denn in diesen Experimenten werden Ionen außer durch die hitzebedingten Stöße auch durch Photonen angeregt, die durch die Stoßprozesse erzeugt werden.

Doch nun haben die Forscher um Sven Bernitt und José Crespo vom Heidelberger Max-Planck-Institut erstmals einen Röntgenlaser genutzt, um Fe¹⁵⁺ und Fe¹⁶⁺-Ionen spektroskopisch zu untersuchen, genauer gesagt den Röntgenlaser Linac Coherent Light Source am Stanford Linear Accelerator Center im kalifornischen Menlo Park.

Der Laser sendet wenige Femtosekunden kurze Röntgenpulse in das Plasma. Die Röntgenphotonen werden von den Eisenionen absorbiert und kurz darauf wieder emittiert. Die von den Röntgen-Pulsen angeregten Eisenionen emittierendie Photonen wieder in Form kurzer Pulse. Somit lassen sich diese Photonen von allen anderen Photonen, die das Plasma emittiert, unterscheiden. Denn die Eisenionen, die durch Stöße im Plasma angeregt worden sind, emittieren ihre Photonen nicht unbedingt in zeitlicher Nähe zu den eingestrahlten Röntgenlaser-Pulsen, sondern in Form eines gleichmäßigen Untergrunds. Somit konnten die Forscher den Teil der Intensität der Emission messen, der auf direkte Anregung zurückzuführen ist und von den quantenmechanischen Modellen der einzelnen Ionen berechnet wird.

Das Team um die Heidelberger Forscher war vom Ergebnis überrascht: Die Intensität der gemessenen Emission wich deutlich von den theoretischen Vorhersagen ab. Offenbar hat der größte Teil der Diskrepanz mit der unzureichenden quantenmechanischen Beschreibung der Ionen zu tun hat – und nicht mit den Modellen der Stoßprozesse.

Theoretische Physiker können nun ihre Modelle verbessern Die Forscher sind die ersten, die mit der erst seit wenigen Jahren verfügbaren Technik des Röntgenlasers spektroskopische Untersuchungen mit Photonen derartig kurzer Wellenlänge an einem solchen Plasma gemacht haben. Entscheidend dafür war eine am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik von José Crespo und Sascha Epp entwickelte transportable Ionenfalle. Die drei Tonnen schwere Anlage haben die Forscher per Flugzeug nach Kalifornien gebracht. Mithilfe eines Elektronenstrahls erzeugt sie eine haardünne, fünf Zentimeter lange Wolke hochgeladener Eisenionen und hält diese mit Unterstützung von elektrischen und magnetischen Feldern fest. Der Röntgenlaser durchstrahlt die Wolke in Längsrichtung und kommt auf diese Weise mit möglichst vielen Eisenionen in Kontakt, was wiederum für ein starkes Messsignal sorgt.

Die Ergebnisse des Forscherteams geben den theoretischen Physikern nun eine Richtschnur für die Verbesserung der quantenmechanischen Modelle der Ionen im Plasma. Das wäre eine erster Schritt zum besseren Verständnis der astropyhsikalischen Röntgenquellen. Aber auch für die Forschung an irdischeren Problemen könnte die Messmethode der Heidelberger Forscher genutzt werden: „Beispielsweise bei der Kernfusion, wo ja auch heiße Plasmen eingesetzt werden", meint José Crespo. Er rechnet damit, dass die transportable Ionenfalle noch oft auf Reisen gehen wird.

MPIK / Red.