Schwerionen-Speicherring-Experimente zur Bestimmung von Elektron-Ion-Rekombinationsratenkoeffizienten für astrophysikalische Anwendungen
Final Report Abstract
Elektron-lon-Rekombination ist ein Prozess der in (astrophysikalischen) Plasmen eine große Rolle spielt. Für eine zuverlässige Interpretation astrophysikalischer Beobachtungen werden akkurate Rekombinationsratenkoeffizienten für eine Vielzahl atomare Ionen benötigt Besonders wichtige Spezies sind Eisenionen, da Eisen das am häufigsten vorkommende schwere Element im Kosmos ist und daher Eisenlinien in nahezu allen Spektren astrophysikalischer Objekte — insbesondere im Röntgenbereich — auftreten. Im hier abgeschlossen Projekt wurden am Schwerionenspeicherring TSR des Heidelberger Max-Planck-lnstituts für Kernphysik Rekombinationsratenkoeffizienten für einige Eisenionen (Fe7+, Fe8+, Fe9+, Fe10+, Fe13+, Fe14+) mit offener M-Schale gemessen. Es zeigte sich, dass die atomtheoretisch berechneten Ratenkoeffizienten, die bisher in astrophysikalischen Modellrechnungen verwendet wurden, für photoionisierte Plasmen um mehrere Größenordnungen zu klein waren. Nachdem die vorliegenden Experimente diese Diskrepanz aufgezeigt hatten, wurden neue theoretische Berechnungen durchgeführt, die zwar besser als die alten mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, jedoch immer noch deutliche Abweichungen von diesen zeigen. Auf theoretischer Seite besteht die prinzipielle Schwierigkeit dass die komplexe Vielteilchendynamik von Eisenionen mit offener M-Schale (11-26 Elektronen) selbst mit modernsten atomtheoretischen Methoden nicht mit ausreichender Genauigkeit behandelt werden kann. Auf absehbare Zeit sind nur Speicherringexperimente in der Lage, zuverlässige Rekombinationsratenkoeffizienten für astrophysikalische Anwendungen zu liefern. Rekombinationsmessungen am Heidelberger Speicherring TSR und ihre astrophysikalischen Implikationen wurden von Savin, McCall und Kirby populärwissenschaftlich dargestellt. Die Weiterentwicklung der Instrumentation am Schwerionenspeicherring TSR, insbesondere die Bereitstellung eines neben dem Elektronenkühler zweiten ultrakatten Elektronentargets, hat zu einer bemerkenswerten Steigerung der experimentellen Präzision geführt. Am Beispiel des lithiumähnlichen Sc18+ konnte demonstriert werden, dass die Resonanz-Spektroskopie hochgeladener Ionen mittels Elektronenstoß mit den zur Zeit besten optischen Messungen an hochgeladenen Ionen konkurrenzfähig ist. In ausgewählten Fällen ist die experimentelle Genauigkeit der Resonanzenergien so gut, dass Beiträge höherer Ordnung quantenelektrodynamischer Rechnungen durch das Experiment überprüft werden können. Überdies wurde am Beispiel des berylliumähnlichen Ti18+ gezeigt, dass die Resonanzspektroskopie am TSR-Elektronentarget zur Messungen von Lebensdauern langlebiger metastabiler Zustände herangezogen werden kann, die optischen Messungen nur eingeschränkt zugänglich sind. Die Messung der hyperfeininduzierten Ti18+(2s2p3Po -> 2s2 1So) Übergangsrate ist die erste überhaupt die für diesen Übergang in einem mehrfach geladenen lon im Labor durchgeführt wurde.
