Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenblick ins Sternenfeuer

02.05.2007
Max-Planck-Wissenschaftlern gelingt in Zusammenarbeit mit dem DESY Hamburg hoch präzise Strukturuntersuchung an hochgeladenen Ionen

Sternmaterie mit einem Laser zu röntgen - das haben Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Joachim Ullrich vom Max-Planck-Institut für Kernphysik jetzt geschafft. Anders als Satelliten und Teleskope studieren die Heidelberger Physiker das leuchtende Plasma von Sternatmosphären allerdings direkt im Labor: Bei Temperaturen von rund einer Million Grad Celsius erzeugen sie hochgeladene Eisenionen, wie sie unter anderem auch in der Korona der Sonne vorkommen. Die Max-Planck-Wissenschaftler haben nun erstmals eine Spektrallinie dieser Ionen zum Leuchten angeregt und präzise vermessen. Das Experiment führten sie mit dem neuen Röntgenlaser FLASH am DESY in Hamburg durch. Mit ihren Ergebnissen können die Heidelberger wichtige Vorhersagen der Quanten- elektrodynamik, welche die Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen beschreibt, genau überprüfen. In naher Zukunft werden sie die Präzision ihres Experimentes sogar noch wesentlich verbessern können. (Physical Review Letters, 1. Mai 2007)


Röntgen-Laserpulse (gelb) regen die in der Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) gespeicherten Ionen (grün) zum Leuchten an. Detektoren messen die Fluoreszenzstrahlung (gelbe Wellenpfeile) in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lasers. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ergibt in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine Resonanzkurve (oben links). Auf diese Weise können die Physiker Spektrallinien mit höchster Genauigkeit vermessen. Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik

Hochgeladene Ionen entstehen nur bei sehr hohen Temperaturen von Millionen oder gar Milliarden Grad Celsius - Bedingungen, wie sie etwa in der Korona der Sonne herrschen. In dieser extremen Umgebung verlieren Atome durch Stöße untereinander die meisten ihrer Elektronen, beispielsweise behält Eisen von insgesamt 26 nur noch die drei, die am stärksten an den Kern gebunden sind. Diese verbleibenden Elektronen zeigen ungewöhnliche Eigenschaften: Sie halten sich der Nähe, manchmal sogar innerhalb des Atomkerns auf und spüren dadurch dessen elektrische und magnetische Kraftfelder besonders stark. Die Folge sind Verschiebungen der atomaren Spektrallinien, die im neutralen Atom in schwächerer Form zwar auch auftreten, jedoch im komplizierten Wechselspiel der vielen Elektronen kaum auszumachen sind. Beschrieben werden diese Phänomene durch die Quantenelektrodynamik (QED), eine der grundlegenden physikalischen Theorien. Die genaue Vermessung hochgeladener Ionen erlaubt es, wichtige theoretische Vorhersagen der QED experimentell zu überprüfen. Daher ist das Interesse der Physiker an diesem Sternenfeuer im Labor groß.

Einen entscheidenden Beitrag auf diesem Gebiet haben die Forscher um Sascha Epp und José Crespo López-Urrutia vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik nun geleistet: Sie wandten eine sehr präzise Messmethode für neutrale Atome, die Resonanz-Fluoreszenz-Spektroskopie, auf hoch geladene Ionen an, und bestimmten so die Frequenz eines elektronischen Übergangs von 23-fach positiv geladenem Eisen auf wenige Millionstel genau. Damit übersteigt ihre Messung hinsichtlich der Präzision bereits die Grenze der heutigen theoretischen Möglichkeiten. "Die Quantenelektrodynamik ist derzeit die genaueste aller physikalischen Theorien", erläutert Crespo López-Urrutia: "Die mathematischen Formalismen der Quantenelektrodynamik spielen aber auch bei der Beschreibung aller anderen bekannten Kräfte, beispielsweise in der Hochenergiephysik, eine große Rolle. Die QED bildet daher einen Grundbaustein unseres modernen physikalischen Verständnisses." Da wundert es kaum, dass Physiker in aller Welt daran arbeiten, die Vorhersagen der QED immer genauer zu überprüfen.

... mehr zu:
»Flash »Ion »QED »Sternenfeuer

Möglich wurde das Experiment der Max-Planck-Wissenschaftler erst durch den neuen Freie-Elektronen-Laser FLASH, der seit Kurzem am DESY in Hamburg zur Verfügung steht: FLASH, kurz für Free electron LASer in Hamburg, ist der weltweit erste Laser, der im weichen Röntgenbereich strahlt. Da hochgeladene Ionen Strahlung bei vergleichbar kurzen Wellenlängen aufnehmen und aussenden, können sie erst mit dem neuen Röntgenlaser direkt zum Fluoreszieren angeregt werden. Die Wellenlänge, die FLASH aussendet, lässt sich darüber hinaus variieren, und erfüllt damit alle wesentlichen Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der Resonanz-Fluoreszenz-Spektroskopie.

Die hochgeladenen Ionen für ihre Experimente stellen die Wissenschaftler in einer speziellen Ionenfalle her, der Electron Beam Ion Trap (EBIT): Ein scharf fokussierter Elektronenstrahl ionisiert die Atome im Inneren der EBIT bis zum gewünschten Ladungszustand, je nachdem wie hoch die Spannung ist, die den Elektronenstrahl beschleunigt. Gleichzeitig halten starke elektrische und magnetische Felder die Ionen gefangen. Die Forscher produzieren so einige Millionen hochgeladene Ionen, konzentriert auf das Volumen eines Haars: fünf Zentimeter lang, aber gerade mal 250 Mikrometer dick ist das Ionenwölkchen, auf das die Röntgenblitze des Lasers treffen. Mit Beobachtungsinstrumenten, die den Messgeräten an Bord von Satelliten oder in großen Teleskopen gleichen, messen die Physiker das Fluoreszenzsignal - auf der Erde haben die Wissenschaftler über die Betriebsparameter der EBIT allerdings die Kontrolle über Zusammensetzung und Temperatur des gespeicherten Sternenfeuers.

Messungen, wie sie die Heidelberger Physiker nun mit dem Elektronenlaser durchgeführt haben, sind zwar prinzipiell auch mit herkömmlichen Methoden möglich. Beispielsweise kann man die Strahlung, die von dem Sternenplasma im Labor ausgeht, spektroskopisch analysieren. Doch die Wissenschaftler haben den neuen Laser noch lange nicht ausgereizt: "Alleine indem wir länger messen und die Strahlungseigenschaften FLASH durch bessere Justage und größere Detektoren optimal nutzen, können wir die Präzision bereits in naher Zukunft um den Faktor 100 verbessern", erklärt Crespo López-Urrutia.

Künftig wollen die Physiker mit FLASH darüber hinaus messen, wie lange ein Elektron in einem angeregten Zustand verweilt. Das sind bei hochgeladenen Ionen nur wenige Billiardstel einer Sekunde. Da der Hamburger Elektronen-Laser Pulse liefert, die in etwa ebenso kurz sind wie die Zeit, die ein Elektron auf dem oberen Niveau verbringt, lässt sich diese mit den Röntgenblitzen des FLASH bestimmen. "Ähnlich wie man aus den Strahlungsübergängen neutraler Atome den Takt einer Atomuhr bestimmt, könnte man mit hochgeladenen Ionen künftig sogar einen weiteren Frequenzstandard definieren", so Crespo López-Urrutia, "das ist allerdings noch Zukunftsmusik."

Originalveröffentlichung:

S.W. Epp, J.R. Crespo López-Urrutia, G. Brenner, J. Ullrich et al.
Soft X-Ray Laser Spectroscopy on Trapped Highly-Charged Ions at FLASH
Physical Review Letters, Vol. 98, No 18, April 04, 2007

Dr. Bernd Wirsing | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Flash Ion QED Sternenfeuer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Geheimnisse des Urknalls und der Dunklen Materie
26.04.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der lange Irrweg der ADP Ribosylierung

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen

26.04.2018 | Physik Astronomie

Anzeichen einer Psychose zeigen sich in den Hirnwindungen

26.04.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics