[論文レビュー] Dielectronic recombination data for astrophysical applications: Plasma rate-coefficients for Fe^q+ (q=7-10, 13-22) and Ni^25+ ions from storage-ring experiments

S. Schippers, M. Lestinsky+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2010

Atomic and Molecular Physics被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ハイデルベルクのTSR貯蔵リングを用いた電子・イオンマージドビーム実験により、高電荷状態のFe^q+ (q=7–10, 13–22) およびNi^25+ イオンの実験的測定による誘電再結合（DR）率係数を提示する。研究では、低エネルギーDR共鳴および微細構造コア励起の重要性を強調し、天体物理学的プラズマモデル化に使用可能な不確実性を伴うパラメータ化されたプラズマ率係数を提供する。本研究により、貯蔵リング実験が、複雑なイオンにおける低温DRデータの唯一信頼できるソースであることが確立される。

ABSTRACT

This review summarizes the present status of an ongoing experimental effort to provide reliable rate coefficients for dielectronic recombination of highly charged iron ions for the modeling of astrophysical and other plasmas. The experimental work has been carried out over more than a decade at the heavy-ion storage-ring TSR of the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany. The experimental and data reduction procedures are outlined. The role of previously disregarded processes such as fine-structure core excitations and trielectronic recombination is highlighted. Plasma rate coefficients for dielectronic recombination of Fe$^{q+}$ ions (q=7-10, 13-22) and Ni$^{25+}$ are presented graphically and in a simple parameterized form allowing for easy use in plasma modeling codes. It is concluded that storage-ring experiments are presently the only source for reliable low-temperature dielectronic recombination rate-coefficients of complex ions.

研究の動機と目的

• 天体物理学的プラズマモデル化における精度を向上させるために、高電荷状態鉄およびニッケルイオンの実験的検証済み誘電再結合（DR）率係数を提供すること。
• 光電離プラズマに重要な低温度DR共鳴を測定することで、長年の理論的・実験的DRデータの乖離を是正すること。
• 従来無視されていたプロセス、特に微細構造コア励起および三電子再結合がDR断面積に与える影響を定量すること。
• 直接プラズマモデル化コードに統合可能な不確実性推定値を伴うパラメータ化された率係数を提供すること。
• 貯蔵リング実験が、理論モデルが失敗する光電離プラズマ（PP）において特に重要な複雑なイオンの信頼できる低温DRデータのゴールドスタンダードであることを確立すること。

提案手法

• ハイドロゲンイオン貯蔵リングTSRで実施された電子・イオンマージドビーム技術を用いて、絶対的DR率係数を測定する。
• 高分解能の電子ビーム冷却と正確なエネルギーキャリブレーションを用い、低温プラズマに重要な低エネルギーDR共鳴（約1 eVまで）を解像する。
• 背景およびビームダイナミクスを考慮した高度なデータ還元手法を用い、測定されたイオン生存率からDR断面積を抽出する。
• ΔN=0およびΔN=1の誘電再結合チャネルの寄与を含み、特にL殻イオンにおける微細構造コア励起に特に注意を払う。
• 13係数を用いた修正マルチピークパラメータ化（方程式ベース）を用い、広い温度範囲にわたる実験的DR断面積をフィッティングする。
• 独立測定との整合性を検証し、温度依存的な誤差伝搬を用いて不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe^q+ (q=7–10, 13–22) およびNi^25+ の実験的DR率係数は、長年の理論的予測と比較して、特に低温域でどのように異なるか？
• RQ2 微細構造コア励起および三電子再結合は、高電荷状態イオンの総DR断面積にどの程度寄与するか？
• RQ3 光電離プラズマ（PP）において、低エネルギーDR共鳴がプラズマ平均率係数をどれほど支配するか、またモデリング結果にどのような影響を及えるか？
• RQ4 理論的計算が大きな不確実性を伴う複雑なイオンにおいて、貯蔵リング実験が信頼できる低温DRデータを提供できるか？
• RQ5 異なる温度領域における導出されたパラメータ化された率係数の不確実性予算はいかなるものか？

主な発見

• 貯蔵リング実験は、Fe^q+ (q=7–10, 13–22) やNi^25+ といった複雑なイオンの信頼できる低温DR率係数を提供する唯一の現在のソースである。
• 微細構造コア励起の取り入れによりDR断面積が顕著に変化し、特にL殻イオン（q=16–22）では、一部のケースで最大20%の寄与が見られた。
• q=16–22のFe^q+ イオンに関しては、パラメータ化された率係数が12 Kから1.2×10^9 Kの温度範囲をカバーし、大多数のイオンで±20%の不確実性を示し、116 Kでは最大±54%の不確実性を示す。
• 13係数を用いたパラメータ化形式により、最小限の計算コストで直接プラズマモデル化コードに使用可能である。
• Ni^25+ については20%の不確実性を伴い、12 Kから10^14 Kの広い温度範囲をカバーしており、極端な天体物理学的環境をカバーする。
• 本研究により、初期の理論モデルが低エネルギー共鳴を無視していたため、X線源（アクティブ銀河核など）のプラズマモデリングにおいて顕著な乖離が生じていたことが明らかになった。