撰寫：汶偉強 黃忠魁 汪書興

宇宙中95%以上的可見物質都處於等離子體狀態。等離子體由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈電中性的物質狀態。電離、激發和複合等原子過程主導著等離子體的演化。在地球的電離層、磁層，行星際空間的太陽風，恆星、超新星遺蹟、星系、行星狀星雲、X射線雙星和活動星系核等研究中都涉及到等離子體物理過程。

除發射可見光外，宇宙中還存在著很多能發射高能射線的天體，如恆星、黑洞周圍空間和星雲等。透過對這些天體的研究，我們可以瞭解恆星的形成、黑洞現象和恆星爆炸後所引起的氣體膨脹等現象。但是這些高能射線，如極紫外光、軟X射線、硬X射線和γ射線幾乎全被大氣層吸收而不能到達地面，要實現對這些高能射線的觀察只能使用太空望遠鏡。

上世紀末，歐洲空間局牽頭的XMM-Newton（牛頓）和美國航空航天局負責的Chandra（錢德拉）等X射線衛星天文臺的發射成功，不僅彌補了地面天文望遠鏡的不足，同時也極大地拓展了人類對於宇宙探索的深度和廣度，例如研究恆星的爆炸及其殘骸（被稱為“超新星遺蹟”），對理解和研究地球以及整個宇宙中的元素的起源非常重要。

仙后座A（Cassiopeia A，Cas A）是最著名的超新星遺蹟之一，距離地球約11000光年。天文學家在2012年透過Chandra天文望遠鏡的觀測，揭示了超新星爆發後形成Cas A的天體等離子體的密度、溫度、電離平衡及電子速度分佈等資訊，從而深入理解其形成和演化規律。

圖 Chandra天文望遠鏡觀測獲得的Cas A的影象 圖源 | NASA

科學家們將Chandra望遠鏡觀測的X射線資料與理論模型相結合，從而可以確定Cas A中關鍵元素的種類和豐度。研究發現，Cas A在超新星爆炸過程中發射出了約1萬個地球質量的硫，約2萬個地球質量的矽和約7萬個地球質量的鐵。天文學家檢測到從Cas A噴射到太空中的氧氣高達地球質量的一百萬倍，相當於太陽質量的三倍。

圖 Cas A中關鍵元素的種類和分佈位置。圖源 | NASA

為了更好的解釋Chandra等衛星天文臺的觀測結果，需要藉助天體等離子體理論模型。而精確描述天體等離子體演化的理論模型所需的大量原子物理引數，包括電子離子複合速率係數、電荷交換截面等，90%以上來自於理論計算，沒有得到實驗檢驗和校正。

此外，目前正在計劃發射的新一代X射線衛星天文臺，例如中國的宇宙熱重子探尋計劃（HUBS）、日本的XRISM、歐洲的Athena、美國的Arcus和Lynx等，觀測的譜線波長範圍以及分辨能力都將會有極大的提升，因此，對模型基本輸入引數的精密程度也有了更高、更迫切的需求。

為了大幅度提高天文觀測的關鍵原子譜學資料的精度和可信度，國際上發起了多個實驗合作組，包括開展鐵離子電子複合速率係數實驗測量的國際合作組和電子碰撞電離和激發的鐵工程計劃。我國的蘭州重離子加速器冷卻儲存環為開展相關的天體等離子體關鍵原子資料精密測量提供了絕佳的實驗條件。

基於重離子儲存環開展的電子離子複合（DR）精密譜學實驗具有極高的能量分辨，並且電子-離子相對能量可大範圍精密調製，是唯一能夠精確測量低能碰撞複合截面關鍵資料的實驗方法，具有獨一無二的優勢。近幾年，基於儲存環DR 精密譜學研究發現，對於具有複雜結構的離子，過去公認的理論方法無法給出可信的DR 速率係數，很多計算結果甚至比實驗低兩個數量級。

圖 蘭州重離子儲存環上開展高電荷態離子雙電子複合精密譜學實驗的研究平臺 圖源 | 近代物理所

近日，中國科學院近代物理研究所的科研人員聯合中國科學技術大學、復旦大學、英國思克萊德大學等多家單位的科研人員，基於蘭州重離子加速器冷卻儲存環HIRFL-CSRm，開展了類碳鈣離子40Ca14+和類納氪離子86Kr25+的雙電子複合精密譜學實驗。研究結果發表在國際知名雜誌The Astrophysical Journal 和Physical Review A上。

研究人員獲得了質心繫碰撞能量為0-90 eV範圍內的電子離子複合絕對速率係數，並將實驗結果與最新的理論Flexible Atomic Code (FAC) 和AUTOSTRUCTURE計算結果進行仔細對比，解析出每個共振結構的來源。同時，研究者們還從雙電子複合絕對速率係數得到了可用於等離子體建模的等離子體速率係數，並與此前的理論資料作了對比研究。

研究發現，對於Ca14+離子，以前用於理論建模的光電離等離子體溫度區間的速率係數計算結果比本次實驗結果小兩個數量級；對於Kr25+離子，電子關聯在DR低能段具有重要的貢獻，理論計算必須考慮混合能級的強耦合效應後，才能夠給出合理的結果。

圖 類碳Ca14+離子的雙電子複合精密譜和等離子速率係數。

圖 類碳Ca14+離子的等離子體速率係數

本次實驗獲得的DR精密譜不僅能夠用於研究高電荷態離子的能級結構從而檢驗各種原子物理結構計算的理論方法，也能夠為天體和聚變等離子體診斷和建模提供高精度的關鍵原子分子資料。

目前在儲存環CSRm上發展的雙電子複合精密譜實驗技術和方法，為在重離子冷卻儲存環CSRe上開展高電荷態重離子精密譜學實驗，和未來在強流重離子加速器裝置HIAF上開展原子物理和核物理交叉前沿研究奠定了基礎。

感興趣的話

APJ論文連結：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc1e4

PRA論文連結：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.102.062823

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