Astrofysica in het lab: TES-detectoren meten röntgenstraling van heet plasma

Astronomen gebruiken röntgenstraling om hoogenergetische verschijnselen in het heelal te bestuderen, zoals samensmeltende neutronensterren, zwarte gaten die sterren opeten en gas dat opwarmt in clusters van sterrenstelsels. Ze meten daarbij hun spectra—kleurrijke vingerafdrukken die informatie bevatten over welke atomen aanwezig zijn.

In het MPIK laboratorium genereert een electron beam ion trap (EBIT) plasma’s die de omstandigheden in de heetste en energiekste gebieden van het heelal nabootsen, zoals rond superzware zwarte gaten. De EBIT-spectra dienen als referentiedata voor waarnemingen van de onlangs gelanceerde röntgentelescoop XRISM en astronomen kunnen ermee de atomaire processen onderscheiden in hete astrofysische plasma’s. De röntgenlijnencatalogus die in Heidelberg is gegenereerd, zal ook bij SRON en IRAP van pas komen tijdens het kalibratieprogramma van het X-IFU-instrument dat wordt gelanceerd aan boord van de toekomstige NewAthena röntgentelescoop.

‘We reproduceren plasma’s op aarde die voorkomen in XRISM-waarnemingen van echte zwarte gaten,’ zegt SRON-astronoom Liyi Gu, die bijdraagt aan de data-analyse. ‘Aan de verschillen zien we dan de netto astrofysische effecten.’

TES-detectoren werken op basis van het natuurkundige verschijnsel supergeleiding, dichtbij het absolute nulpunt, rond -273 °C. SRON-onderzoekers Luciano Gottardi en Martin de Wit verhuisden hun TES-detectors in hun speciale koelkast van het SRON-lab in Leiden naar Heidelberg. Ze werken bij 50 milliKelvin—vijfhonderdste van een graad boven het absolute nulpunt—en kunnen de energie bepalen van een röntgenfoton van circa zesduizend elektronvolt binnen een marge van slechts drie elektronvolt. Daarmee kunnen ze brede röntgenspectra gedetailleerder analyseren dan ooit tevoren.

Names het MPIK werkten ook Marc Botz en prof. José R. Crespo López-Urrutia mee aan het onderzoek.