Bewertung von Übergangsenergien und Emissionsstärken für die Röntgenastronomie mit Messungen an den Livermore EBITs

K-shell transitions in astrophysically abundant metals and L-shell transitions in Fe group elements show characteristic signatures in the soft X-ray spectrum in the energy range 0.1–10 keV. These signatures have great diagnostic value for plasma parameters such as electron and ion temperatures and densities, and can thus help understand the physics controlling the energetic processes in astrophysical sources. This diagnostic power increases with advances in spectral resolution and effective area of the employed X-ray observatories. However, to make optimal use of the diagnostic potential – whether through global spectral modeling or through diagnostics from local modeling of individual lines – the underlying atomic physics has to be complete and well known. With the next generation of soft X-ray observatories featuring micro-calorimeters such as the SXS on Astro-H /Hitomi and the X-IFU on Athena, broadband high-resolution spectroscopy with large effective area will become more commonly available in the next decade. With these spectrometers, the accuracy of the plasma parameters derived from spectral modeling will be limited by the uncertainty of the reference atomic data rather than by instrumental factors, as is sometimes already the case for the high-resolution grating observations with Chandra-HETG and XMM-Newton-RGS. To take full advantage of the measured spectra, assessment of the accuracy of and improvements to the available atomic reference data are therefore important. Dedicated measurements in the laboratory are essential to benchmark the theoretical calculations providing the bulk of the reference data used in astrophysics. Experiments at the Lawrence Livermore National Laboratory electron beam ion traps (EBIT-I and SuperEBIT) have a long history of providing this service. In this work, I present new measurements of transition energies and absolute electron impact excitation cross sections geared towards currently open atomic physics data needs. First, I measured the energies of K α transitions in L-shell ions of Si and S at EBIT using the EBIT calorimeter spectrometer (ECS) with 4.5–5.0 eV resolution, i.e., a similar resolution to the Astro-H /Hitomi SXS soft X-ray spectrometer. While these lines will become interesting also for L-shell ions of other astrophysically abundant elements, they have been observed most prominently from L-shell ions of Si and S in the X-ray spectra of a variety of astrophysical sources. The measured line centers have an accuracy of <~0.5 eV for the strong transitions and <~1 eV for the weaker ones. This accuracy translates to Doppler shifts of less than 90 km/s , i.e., less than the calibration uncertainty of the Chandra high-energy transmission gratings. The measured line centers are identified with my own calculations with the Flexible Atomic Code (FAC) and compared to these and calculations by Palmeri et al. (2008). I demonstrate the impact of these measurements by re-evaluating Doppler shifts for the high-mass X-ray binaries Vela X-1 and Cyg X-1 with the new reference data. Using the high-resolution, imaging focusing spherical crystal spectrometer EBHiX with a quartz 101 crystal, I verified the results from the ECS measurements on K α transitions in N- through Li-like S. The measurement has a spectral resolution of better than 0.52 eV. The derived transition energies have an accuracy of <~0.2 eV, corresponding to Doppler shifts of < 30 km/s , i.e., within the requirements set by the planned Athena X-ray observatory. Secondly, I used the EBHiX crystal spectrometer with a quartz 110 crystal in second order to measure the strongly blended K α spectra of M-shell Fe ions around 6.4 keV. Contributions to the 6.4 keV line complex from these ions are important for transient plasmas such as those in supernova remnants. While a simple FAC model of Cl- through F-like Fe suggested it should be possible to resolve major contributions from different charge states to this complex at a 2 eV resolution, the data did not allow us to identify any new lines, although the spectral resolution of this measurement was higher than in previous experiments. Thirdly, I measured absolute electron impact excitation (EIE) cross sections for He-like Fe line w and H-like Fe Ly α1 and Ly α2 at different electron energies and charge balances. The cross sections of the direct excitation lines are brought to an absolute scale by normalizing to the radiative recombination (RR) spectrum of the same ion. The direct excitation spectrum was measured with the low-energy pixels of the ECS with a spectral resolution of about 6 eV, while the RR spectrum was recorded with the ECS’s thicker high-energy pixels with instrumental resolution of about 30 eV. The high-energy pixels thus allowed us, for the first time, to resolve the RR into the n = 2 shell of L-shell Fe ions at electron impact energies high enough to excite a K-shell electron in Fe ions. These measurements of absolute EIE cross sections using the ECS microcalorimeter at EBIT have accuracies on the 10% level, and therefore fulfill the requirements on atomic reference data identified by the astrophysics community. Benchmarking theoretical cross sections on this level tightens the constraints on important diagnostics for, e.g., elemental abundance measurements and resonance scattering in the high-resolution X-ray spectra of the Perseus galaxy cluster observed with Hitomi-SXS. Finally, the performance of the EBHiX crystal spectrometer at EBIT was evaluated for various quartz crystals and the ion temperatures of the ions trapped in EBIT were derived from thermal line broadening measured with EBHiX. The EBHiX’s capability to measure the degree of linear polarization for X-ray transitions excited in EBIT was demonstrated for the H-like Mn Ly α line.Die charakteristischen Spektrallinien sowohl von Übergängen in die K-Schale von astrophysikalisch häufig vorkommenden Metallen als auch von Übergängen in die L-Schale von Elementen der Fe-Gruppe liegen im weichen Röntgenbereich mit Photonenenergien zwischen 0.1 und 10 keV. Diese Signaturen stellen eine wichtige Diagnostik dar für Plasmaparameter wie zum Beispiel die Temperatur und Dichte der im Plasma enthaltenen Elektronen und Ionen. Damit bilden diese eine wichtige Grundlage, um jene Physik zu verstehen, die energetischen Prozessen in astrophysikalischen Quellen zugrunde liegt. Mit den Fortschritten, die bei der spektralen Auflösung und der effektiven Fläche der für Beobachtungen im Röntgenbereich verwendeten, satellitenbasierten Instrumente und Teleskope erzielt werden, wächst die Zahl und Qualität der diagnostischen Möglichkeiten dieser Spektrallinien. Um jedoch vollen Nutzen aus diesen Diagnostiken ziehen zu können – sei es durch globales Modellieren der ganzen Bandbreite eines beobachteten Spektrums oder durch lokale Modellierung, bei der einzelne Linien als Diagnostik herangezogen werden –, ist es wichtig, dass die zugrunde liegende Atomphysik vollständig und sehr genau bekannt ist. Die nächste Generation von Röntgensatelliten für Spektroskopie im weichen Röntgenbereich wird Mikrokalorimeter benutzen wie z.B. das SXS auf Astro-H /Hitomi oder das X-IFU auf Athena. Diese Satelliten werden im Laufe des nächsten Jahrzehnts hochaufgelöste Spektroskopie mit großer effektiver Fläche über den gesamten weichen Röntgenbereich hinweg allgemeiner zugänglich machen. Dadurch werden die Plasmaparameter durch die Analyse der von diesen Satelliten aufgenommenen Spektren mit einer Genauigkeit ermittelt werden können, die mehr durch die Ungenauigkeit der atomphysikalischen Referenzdaten begrenzt ist als durch instrumentale Einschränkungen. Für Beobachtungen mit hochauflösenden Beugungsgittern wie dem Chandra-HETG und dem XMM-Newton-RGS ist die Ungenauigkeit der atomphysikalischen Referenzdaten schon jetzt manchmal problematisch. Daher ist es besonders wichtig, die Genauigkeit der atomphysikalischen Daten festzustellen und diese gegebenenfalls zu verbessern. Dedizierte Messungen im Labor sind essentiell für die Bewertung von theoretischen Berechnungen, welche den Großteil der in der Astrophysik verwendeten Referenzdaten ausmachen. Experimente mit den Elektronenstrahl-Ionenfallen (EBIT-I und SuperEBIT) am Lawrence Livermore National Laboratory stellen eine etablierte Methode für solche Messungen dar. In dieser Arbeit präsentiere ich neue Messungen mit EBIT für Linienenergien und für absolute Wirkungsquerschnitte für Anregung durch Elektronenstöße, welche an aktuell offenem Bedarf an speziellen Referenzdaten ausgerichtet sind. Zunächst wurden die Energien von Kα-Übergängen in jenen Ionen von Si und S gemessen, welche eine offene L-Schale haben. Dazu wurde das EBIT Calorimeter Spectrometer (ECS) mit einer spektralen Auflösung von 4.5–5.0 eV verwendet, also mit einer Auflösung ähnlich des Astro-H /Hitomi-SXS. Während diese Kα-Linien bisher am deutlichsten von Si und S Ionen in den Spektren einer Reihe von astrophysikalischen Quellen beobachtet wurden, wird erwartet, diese in Zukunft auch von den Ionen anderer astrophysikalisch relevanter Elemente zu detektieren. Die bei EBIT gemessenen Linienzentren haben eine Unsicherheit von <~0.5 eV im Falle der stärkeren Spektrallinien und von <~1 eV im Falle der schwächeren Linien. Diese Unsicherheit entspricht einer Dopplerverschiebung von weniger als 90 km/s und ist damit besser als die Unsicherheit der Wellenlängenkalibration des Chandra-HETG. Die gemessenen Linienzentren wurden mit Hilfe von Berechnungen mit dem Flexible Atomic Code (FAC) identifiziert und ausserdem mit diesen und Berechnungen von Palmeri et al. (2008) verglichen. Die Auswirkung unserer Messungen auf die Interpretation astrophysikalischer Spektren wurde anhand von Neuberechnungen der Dopplerverschiebungen in den Spektren der massiven Röntgendoppelsternsysteme Vela X-1 und Cyg X-1 gezeigt. Des Weiteren wurden die mit dem ECS erzielten Messergebnisse mit Hilfe des hochauflösenden, abbildenden und fokussierenden Kristallspektrometers EBHiX anhand der Kα-Linien in N- bis Li-artigen S Ionen verifiziert. Die Messung mit dem Kristallspektrometer hat eine spektrale Auflösung von bis ∼ 0.52 eV und eine Unsicherheit von <~0.2 eV. Dies entspricht einer Dopplerverschiebung von < 30 km/s und erfüllt damit die Anforderungen des geplanten Athena Röntgensatelliten. Als zweites wurde das EBHiX Kristallspektrometer verwendet, um die Kα-Übergänge von Fe Ionen mit offener M-Schale zu messen, welche in einem engen Energiebereich um 6.4 keV stark überlappen. Der Beitrag dieser Ionen zum 6.4 keV Linienkomplex ist interessant für transiente Plasmen wie jenen in Supernovaüberresten. Eine einfache Berechnung der Linien in Cl- bis F-artigem Fe mit FAC deutete darauf hin, dass eine spektrale Auflösung von 2 eV ausreichend sein könnte, um zumindest die Hauptkomponenten jedes Ions aufzulösen. Dies konnte jedoch bisher nicht bestätigt werden, obwohl die Auflösung dieser Messung diejenige von vorherigen Messungen übertraf. Als drittes wurden die absoluten Wirkungsquerschnitte für die Anregung der Linie w in He-artigem Fe und der Linien Ly α1 und Ly α2 in H-artigem Fe durch Elektronenstöße für verschiedene Elektronenenergien und Ladungsgleichgewichte gemessen. Diese Wirkungsquerschnitte werden auf eine absolute Skala gebracht, indem der gemessene Fluss der stoßangeregten Linien auf den gemessenen Fluss des Spektrums von radiativer Rekombination (RR) im gleichen Ion normalisiert wird. Dabei wurde das Spektrum der stoßangeregten Linien mit den ECS-Pixeln für niederenergetische Photonen aufgenommen und das der RR mit den dickeren ECS-Pixeln für hochenergetische Photonen mit einer Auflösung von etwa 30 eV. Letztere haben es zum ersten Mal ermöglicht, die spektralen Signaturen der RR in die n = 2 Schale von Fe Ionen mit offener L-Schale für Elektronenenergien zu messen, die ausreichend hoch sind für die direkte Anregung von Elektronen aus der K-Schalen von Fe Ionen. Die gemessenen Wirkungsquerschnitte haben eine Unsicherheit auf dem 10% Niveau und erfüllen damit die Anforderungen, die von der astrophyiskalischen Gemeinschaft gestellt wurden. Die Bewertung von theoretischen Wirkungsquerschnitten auf diesem Niveau verbessert die Genauigkeit wichtiger Diagnostiken, wie zum Beispiel die Messung von Elementhäufigkeiten oder resonanter Streuung in den hochaufgelösten Spektren des Galaxienclusters Perseus, welche mit dem Hitomi-SXS aufgenommen wurden. Zuletzt wurde noch das EBHiX Kristallspektrometer unter der Verwendung verschiedener Quartzkristalle evaluiert und die Temperatur der in EBIT gefangen Ionen aus der mit dem EBHiX gemessenen thermischen Linienverbreiterung abgeleitet. Die Möglichkeit, EBHiX für Messungen des Polarisationsgrades der in EBIT erzeugten Strahlung zu verwenden, wurde anhand der Polarisation der Ly α1 Linie in H-artigem Mn gezeigt