科研進(jìn)展

近代物理所揭示高電荷態(tài)鐵離子的電子-離子復(fù)合機制

發(fā)表日期：2025-06-19來源：近代物理研究所【放大縮小】

鐵，作為宇宙和太陽系中豐度極高的重元素之一，在天體物理中扮演著極為重要的角色。近日，中國科學(xué)院近代物理研究所科研人員及其合作者基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL-CSRm），開展了M殼層類鈉鐵離子Fe¹⁵⁺的雙電子復(fù)合精密譜學(xué)實驗，首次獲得了質(zhì)心系碰撞能量為0-90 eV范圍內(nèi)的電子離子復(fù)合絕對速率系數(shù)，為天體和聚變等離子體診斷和建模提供了重要數(shù)據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表在天體物理雜志The Astrophysical Journal Supplement Series（ApJS 278 (2025) 44）上。

鐵元素在宇宙中廣泛分布，其離子形態(tài)在X 射線波段會產(chǎn)生獨特的發(fā)射線和吸收線。這些光譜特征就像天體的“指紋”，能夠精準(zhǔn)地揭示恒星和星系的溫度、密度、化學(xué)組成以及動力學(xué)狀態(tài)等諸多關(guān)鍵信息。近年來，科研人員投入了大量精力深入探究其光譜特性。例如，2024 年成功發(fā)射的 XRISM衛(wèi)星，它借助高分辨率微熱量計成功捕捉到了位于大麥哲倫云中的超新星遺跡（SNR）N132D的X 射線光譜，其中清晰地包含了鐵元素的K殼層發(fā)射線。

然而，要精準(zhǔn)解讀這些光譜信號，科研人員就必須掌握等離子體中電荷態(tài)的分布規(guī)律，而雙電子復(fù)合過程正是決定等離子體中電荷態(tài)平衡分布的核心因素。

基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)開展的高電荷態(tài)離子的雙電子復(fù)合精密譜學(xué)實驗具有較高的能量分辨，且其電子-離子相對能量可大范圍精密調(diào)制，是目前唯一能夠精確測量低能碰撞復(fù)合截面關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實驗方法?？蒲袌F(tuán)隊在對M殼層類鈉鐵離子 Fe¹⁵⁺的實驗中，成功測量了 0-90 eV 能量范圍內(nèi)的復(fù)合速率系數(shù)。他們將實驗結(jié)果與最新的理論Flexible Atomic Code (FAC) 、AUTOSTRUCTURE、Jena Atomic Calculator (JAC)計算的結(jié)果仔細(xì)對比，解析出每個共振結(jié)構(gòu)的來源。同時，科研人員從雙電子復(fù)合速率系數(shù)得到了可用于等離子體建模的等離子體速率系數(shù)，并與此前的理論數(shù)據(jù)作了對比研究。

他們發(fā)現(xiàn)，目前的理論方法在處理強關(guān)聯(lián)電子體系時存在明顯偏差，特別是雙激發(fā)態(tài) 4?4?′ 的描述上，實驗結(jié)果與理論預(yù)測仍然存在差異。實驗獲得的等離子體速率系數(shù)澄清了不同的理論計算方法的適用范圍。另外，本次實驗獲得的DR精密譜可用于研究高電荷態(tài)離子的能級結(jié)構(gòu)從而檢驗各種原子物理結(jié)構(gòu)計算的理論方法，并可為天體和聚變等離子體診斷和建模提供高精度的基本輸入?yún)?shù)。在此基礎(chǔ)上完成的HIRFL-CSRe和HIAF-SRing上的高電荷態(tài)離子雙電子復(fù)合精密譜學(xué)研究計劃近期已發(fā)表在國內(nèi)的《物理學(xué)報》雜志，并被選為封面文章。

此項雙電子復(fù)合精密譜學(xué)實驗研究工作由中國科學(xué)院近代物理研究所主導(dǎo)，聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、英國思克萊德大學(xué)、德國亥姆霍茲重離子研究中心、德國吉森大學(xué)等單位共同完成。論文第一作者為近代物理所博士生黃厚科，近代物理所汶偉強研究員和馬新文研究員為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委等項目的支持。

圖1：類鈉Fe¹⁵⁺離子的雙電子復(fù)合精密譜。測量的電子-離子相對能量范圍為 0- 90 eV，包含了 3?? → 3??和 3?? → 3??（Δ?? = 0）核心激發(fā)以及所有4?4?′ 共振相關(guān)的DR共振結(jié)構(gòu)。在0到40 eV的能量范圍內(nèi)，AUTOSTRUTURE、FAC和JAC理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常一致。然而，在40到90eV的能量范圍內(nèi)，由于4?4?′共振具有強電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，三種理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間均存在差異。