[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究采用含时平均德拜-休克尔势的相对论多组态狄拉克-福克方法，研究了高电离态铁离子（Fe xvii–Fe xxv）在电浆环境中的K壳跃迁。结果表明，在极端电浆密度下，电离能和K阈值能量降低110–170 eV，使这些能级可通过未来的高分辨率X射线光谱仪（如XRISM和ATHENA上的仪器）探测到。

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.

研究动机与目标

• 评估致密电浆环境对高电离态铁离子K壳跃迁原子参数的影响，相关参数与天体X射线源有关。
• 解决现有原子数据的局限性，即忽略电浆屏蔽效应，因此在高电子密度（>10^18 cm⁻³）下不准确。
• 在相对论多组态狄拉克-福克框架内，使用含时平均德拜-休克尔势建模电子-核及电子-电子屏蔽效应。
• 量化极端电浆条件下典型黑洞吸积盘环境中的电离能、K阈值、辐射跃迁率及俄歇宽度的偏移量。
• 评估未来高分辨率X射线任务（如XRISM和ATHENA）探测电浆诱导K边移位的可行性。

提出的方法

• 采用相对论多组态狄拉克-福克（MCDF）方法计算Fe xvii–Fe xxv离子的波函数。
• 应用含时平均德拜-休克尔势，模拟电子-核及电子-电子相互作用引起的电浆屏蔽效应。
• 使用GRASP92代码进行组态相互作用及多组态波函数生成。
• 利用RATIP代码计算原子参数，包括跃迁波长、辐射发射速率和俄歇宽度。
• 探索屏蔽参数范围为0 ≤ μ ≤ 0.25 a.u.，对应电子温度10⁵–10⁷ K及密度10¹⁸–10²² cm⁻³。
• 评估电浆屏蔽对电离能、K阈值及辐射/俄歇性质的影响，条件与吸积盘相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密天体电浆中，电浆屏蔽效应如何改变Fe xvii–Fe xxv离子的电离能和K阈值能量？
• RQ2 电子-核和电子-电子屏蔽在K壳跃迁能量及原子参数偏移中分别贡献多大程度？
• RQ3 K阈值的偏移是否足够大，可被未来XRISM和ATHENA上的高分辨率X射线微热量计分辨？
• RQ4 电浆效应如何影响高电离态铁离子K壳跃迁的辐射发射速率和俄歇宽度？
• RQ5 电浆屏蔽对不同原子参数的影响相对重要性如何？哪些参数对极端电浆条件最敏感？

主要发现

• 在屏蔽参数μ = 0.25 a.u.时，Fe xvii–Fe xxv的电离能和K阈值能量降低110–170 eV，对应极端电浆条件。
• K阈值的降低与电浆屏蔽参数μ和离子有效电荷Z_eff呈线性依赖关系。
• 电子-电子电浆屏蔽被证实是电离能和K阈值偏移的主要贡献因素之一。
• Kα和Kβ线的波长几乎不受影响，红移小于0.1 Å，表明电浆诱导的谱线位置偏移极小。
• 不同跃迁的辐射发射速率变化在百分之几以内，而俄歇宽度在电浆屏蔽下最多减少10%。
• 未来高分辨率X射线光谱仪（如XRISM和ATHENA）有望探测到吸积盘环境中因电浆屏蔽导致的铁K边降低。