[논문 리뷰] 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. Bautista외 6명|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2019. 03. 15.

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한 줄 요약

이 연구는 고도로 희석된 철 이온(Fe xvii–Fe xxv)의 K-껍질 전이에 대한 플라즈마 환경의 영향을 시간 평균 Debye–Hückel 포텐셜을 사용한 상대론적 다구성형 Dirac–Fock 방법으로 조사한다. 주요 발견은 극한의 플라즈마 밀도에서 이온화 임계값과 K-임계 에너지가 110–170 eV 감소하여, 향후 XRISM 및 ATHENA와 같은 고해상도 X선 분광계에서 검출 가능하다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 은하계 X선 천체에 관련된 고도로 이온화된 철 이온의 K-껍질 전이에 대한 원자적 매개변수에 대한 밀도 높은 플라즈마 환경의 영향을 평가하기 위해.
• 기존 원자 데이터는 플라즈마 스크리닝을 忽시하고 있어 고전자 밀도(>10^18 cm⁻³) 조건에서 정확도가 떨어지는 한계를 해결하기 위해.
• 상대론적 다구성형 Dirac–Fock 프레임워크 내에서 시간 평균 Debye–Hückel 포텐셜을 사용해 전자-핵 및 전자-전자 스크리닝 효과를 모델링하기 위해.
• 흑점 적재 원반에서 일반적인 극한 플라즈마 조건에서 이온화 임계값, K-임계값, 복사 속도 및 아우저 너비의 이동을 정량화하기 위해.
• 향후 고해상도 X선 미세칼로리메터(예: XRISM 및 ATHENA)를 통해 플라즈마 유도 K-엣지 이동이 검출 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• Fe xvii–Fe xxv 이온의 파동함수를 계산하기 위해 상대론적 다구성형 Dirac–Fock(MCDF) 방법을 사용하였다.
• 전자-핵 및 전자-전자 상호작용으로 인한 플라즈마 스크리닝 효과를 시뮬레이션하기 위해 시간 평균 Debye–Hückel 포텐셜을 적용하였다.
• 구성상호작용 및 다구성형 파동함수 생성을 위해 GRASP92 코드를 사용하였다.
• 전이 파장, 복사 방출 속도 및 아우저 너비와 같은 원자 매개변수를 RATIP 코드를 사용해 계산하였다.
• 스크리닝 매개변수 범위 0 ≤ μ ≤ 0.25 a.u.를 탐색하였으며, 이는 전자 온도 10⁵–10⁷ K 및 밀도 10¹⁸–10²² cm⁻³에 해당한다.
• 적재 원반과 관련된 조건에서 플라즈마 스크리닝이 이온화 임계값, K-임계값 및 복사/아우저 특성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 천체 플라즈마에서 Fe xvii–Fe xxv 이온의 플라즈마 스크리닝 효과가 이온화 임계값과 K-임계 에너지를 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 전자-핵 및 전자-전자 스크리닝은 K-껍질 전이 에너지 및 원자 매개변수의 이동에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 결과적으로 발생하는 K-임계값 이동이 향후 고해상도 X선 마이크로칼로리메터(XRISM 및 ATHENA)에서 해상도로 확인 가능한가?
• RQ4 플라즈마 효과는 고도로 이온화된 철 이온의 K-껍질 전이에서 복사 방출 속도 및 아우저 너비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 원자 매개변수 중 플라즈마 스크리닝의 상대적 중요성은 무엇이며, 어떤 매개변수가 극한 플라즈마 조건에 가장 민감한가?

주요 결과

• 스크리닝 매개변수 μ = 0.25 a.u.일 때, Fe xvii–Fe xxv의 이온화 임계값과 K-임계 에너지는 극한 플라즈마 조건에서 110–170 eV 감소한다.
• K-임계값 감소는 플라즈마 스크리닝 매개변수 μ와 이온의 효과적 전하 Z_eff에 대해 선형적으로 의존한다.
• 전자-전자 플라즈마 스크리닝이 관측된 이온화 임계값 및 K-임계값 이동에 중요한 기여를 한다는 것이 확인되었다.
• Kα 및 Kβ 선의 파장은 거의 영향을 받지 않으며, 적색 이동이 0.1 Å 미만이므로 복사선 위치에 대한 플라즈마 유도 이동이 미미하다.
• 복사 방출 속도는 전이에 따라 몇 퍼센트 정도 변동하며, 아우저 너비는 플라즈마 스크리닝 조건에서 최대 10% 감소한다.
• 향후 고해상도 X선 분광계(예: XRISM 및 ATHENA)는 적재 원반 환경에서 플라즈마 스크리닝으로 인해 낮아진 철 K-엣지를 감지할 것으로 기대된다.