SRON bundelt haar krachten met het Max Planck Instituut voor Kernfysica (MPIK) en het Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie (IRAP) om referentiedata te genereren voor sterrenkundige waarnemingen en om de natuurkundige wetten binnen hete plasma’s te bestuderen. De electron beam ion trap (EBIT) op het MPIK in Heidelberg simuleert hete plasma’s, terwijl supergeleidende transition edge sensors (TES), ontwikkeld door SRON, hun röntgenspectra meten met ongekend hoge energieresolutie.
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.
Astronophysics in the lab: TES detectors measure X-rays from hot plasma
SRON has joined forces with the Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) and the Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie (IRAP) to generate reference data for astronomical observations and scrutinize the laws of hot plasma physics. The electron beam ion trap (EBIT) at MPIK in Heidelberg simulates a hot plasma, while superconducting transition-edge sensors (TES) developed by SRON measure the emitted X-ray spectra with unprecedented energy resolution.
Astronomers use X-rays to study high-energetic phenomena in the Universe, such as merging neutron stars, black holes eating stars and gas heating up inside clusters of galaxies. They measure their spectra—colorful fingerprints containing information about which atoms are present.
In the MPIK lab, an electron beam ion trap (EBIT) generates and confines plasmas that reproduce the conditions in the universe’s hottest and most energetic environments, such as around supermassive black holes. The EBIT spectra serve as reference data for observations of the recently launched X-ray telescope XRISM, and allow astronomers to identify and distinguish the underlying atomic processes in hot astrophysical plasmas. The X-ray line catalogue generated in Heidelberg will also be used at SRON and IRAP for the calibration program of the X-IFU instrument to be launched onboard ESA’s NewAthena X-ray telescope.
‘We are reproducing plasmas on the ground that appear in XRISM observations of real black holes,’ says SRON Astronomer Liyi Gu, who is contributing to the data analysis. ‘The differences will reveal the net astrophysical effects.’
TES detectors are based on the physical phenomenon of superconductivity and operate close to absolute zero—around -273 °C—inside super fridges called dilution refrigerators. SRON researchers Luciano Gottardi and Martin de Wit moved their TES-detector array in its refrigerator from the SRON lab in Leiden to Heidelberg. This instrument operates at 50 millikelvin—five hundredth of a degree above absolute zero — and can determine the energy of a typical 6,000 electronvolt X-ray photon within a margin well below 3 electronvolt to analyze the broad “X-ray rainbows” seen in astrophysics into finer detail than ever before.
The team coupled the SRON instrument to an EBIT at MPIK, and working together with the local team of PhD student Marc Botz and Prof. José R. Crespo López-Urrutia, started collecting X-ray photons from a hot gas of many million degrees. They broke spectral resolution records over a broad range of energies.
