[論文レビュー] Plasma environment effects on K lines of astrophysical interest. II. Ionization potentials, K thresholds, radiative rates and Auger widths in Ne- through He-like iron ions (Fe xvii - Fe xxv)

J. Deprince, M. A. Bautista+6 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Mar 15, 2019

Atomic and Molecular Physics参考文献 49被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、時間平均化されたデバイ＝フッケルポテンシャルを用いて電子-核および電子-電子スクリーニングをモデル化した相対論的多配置ディラック-フォック法を用い、高電離状態鉄イオン（Fe xvii–Fe xxv）におけるK殻遷移に対するプラズマ環境効果を調査した。主な発見は、極限的プラズマ密度下でイオン化ポテンシャルおよびK閾値エネルギーが110–170 eV低下することであり、これによりXRISMやATHENAに搭載予定の今後の高分解能X線分光計で検出可能になることである。

ABSTRACT

Aims. In the context of accretion disks around black holes, we estimate plasma-environment effects on the atomic parameters associated with the decay of K-vacancy states in highly charged iron ions, namely Fe xvii - Fe xxv. Methods. Within the relativistic multiconfiguration Dirac-Fock (MCDF) framework, the electron-nucleus and electron-electron plasma screenings are approximated with a time-averaged Debye-Huckel potential. Results. Modified ionization potentials, K thresholds, wavelengths, radiative emission rates and Auger widths are reported for astrophysical plasmas characterized by electron temperatures and densities respectively in the ranges 1E5 - 1E7 K and 1E18 - 1E22 cm-3 . Conclusions. We conclude that the high-resolution micro-calorimeters onboard future X-ray missions such as XRISM and ATHENA are expected to be sensitive to the lowering of the iron K edge due to the extreme plasma conditions occurring in accretion disks around compact objects.

研究の動機と目的

• 高電離状態鉄イオン（Fe xvii–Fe xxv）のK殻遷移の原子パラメータに及ぼす高密度プラズマ環境の影響を、天体的X線源に関連して評価すること。
• 既存の原子データにはプラズマスクリーニングが無視されており、電子密度が10^18 cm⁻³を超えると不正確であるという限界を是正すること。
• 相対論的多配置ディラック-フォックフレームワーク内に、時間平均化されたデバイ＝フッケルポテンシャルを用いて電子-核および電子-電子スクリーニング効果をモデル化すること。
• ブラックホール降着円盤に典型的な極限的プラズマ条件下でのイオン化ポテンシャル、K閾値、放射率、アギエル幅のシフトを定量すること。
• XRISMやATHENAのような今後の高分解能X線ミッションが、プラズマ誘発Kエッジシフトを検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• Fe xvii–Fe xxvイオンの波動関数を計算するために、相対論的多配置ディラック-フォック（MCDF）法を用いた。
• 電子-核および電子-電子相互作用に起因するプラズマスクリーニング効果を模擬するために、時間平均化されたデバイ＝フッケルポテンシャルを適用した。
• 配置相互作用および多配置波動関数の生成にGRASP92コードを用いた。
• RATIPコードを用いて遷移波長、放射発光率、アギエル幅などの原子パラメータを計算した。
• スクリーニングパラメータの範囲を0 ≤ μ ≤ 0.25 a.u.とし、これにより電子温度が10⁵–10⁷ K、密度が10¹⁸–10²² cm⁻³に対応することを確認した。
• 降着円盤に特徴的な条件下でのプラズマスクリーニングがイオン化ポテンシャル、K閾値、および放射/アギエル特性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度天体的プラズマ中におけるFe xvii–Fe xxvイオンのスクリーニング効果が、イオン化ポテンシャルおよびK閾値エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 電子-核および電子-電子スクリーニングは、K殻遷移エネルギーおよび原子パラメータのシフトにどの程度寄与しているか？
• RQ3 得られたK閾値のシフトは、XRISMやATHENAに搭載予定の今後の高分解能X線マイクロカリブレーターで解像可能か？
• RQ4 プラズマ効果は、高電離状態鉄イオンのK殻遷移の放射発光率およびアギエル幅にどのように影響を与えるか？
• RQ5 異なる原子パラメータにおいて、プラズマスクリーニングの相対的な重要性は何か？また、どのパラメータが極限的プラズマ条件下に対して最も感受性を示すか？

主な発見

• スクリーニングパラメータμ = 0.25 a.u.（極限的プラズマ条件に対応）において、Fe xvii–Fe xxvのイオン化ポテンシャルおよびK閾値エネルギーは110–170 eV低下する。
• K閾値の低下は、プラズマスクリーニングパラメータμおよびイオンの有効電荷Z_effに線形的に依存する。
• 電子-電子スクリーニングが、観測されたイオン化ポテンシャルおよびK閾値のシフトに顕著な寄与をしていることが確認された。
• KαおよびKβ線の波長はほとんど変化せず、赤方偏移が0.1 Å未満に留まるため、ライン発光位置におけるプラズマ誘発シフトは最小限である。
• 放射発光率は遷移に応じて数パーセントの変動を示すが、アギエル幅は最大で10%低下する。
• 今後の高分解能X線分光計（XRISMやATHENA搭載）は、降着円盤環境におけるプラズマスクリーニングに起因する低下した鉄Kエッジを検出可能と予想される。