宇宙観測の高精度モデリングに向けた基準データを提供(Study Provides Benchmark Data for Accurate Modelling of Space Observations)

2026-06-16 中国科学院(CAS)

太陽コロナ質量放出(CME)に伴うX線放射の発生機構を解明するため、中国科学院(CAS)近代物理研究所(IMP)などの国際共同研究チームは、高電荷窒素イオン(N⁶⁺)とヘリウム原子の衝突における量子状態分布を高精度で測定した。CMEは大量の荷電粒子とエネルギーを宇宙空間へ放出する激しい太陽活動であり、地球では磁気嵐を引き起こし、衛星通信や測位システム、電力網に影響を及ぼす。CME時には高電荷イオンが地球磁気圏中の中性粒子と電荷交換反応を起こし、特徴的なX線を放射するため、そのスペクトル解析は太陽活動や物質組成、内部ダイナミクスを理解する重要な手段となる。しかし、励起状態に関する精密な原子データの不足が長年の課題であった。研究チームは中国・蘭州の320kV高電荷イオン実験施設を用い、励起量子状態の占有率を直接測定する手法を開発し、理論計算間の不一致を解消する基準データを取得した。さらに、二重励起状態がCME観測時の軟X線放射に大きく寄与することを実証した。本成果は宇宙観測データの高精度解析や実験室宇宙物理学の発展に貢献すると期待される。

<関連情報>

6.43–42.86 keVのu −1 14N6とHeの衝突における状態選択的電荷交換 State-selective Charge Exchange in the 6.43–42.86 keV u−1 14N6 Collision with He

R. T. Zhang, X. B. Zhu, L. Liu, C. J. Zhang, Y. Zhou, G. Y. Liang, L. Gu, S. Mitrani, K. Hansen, B. R. Lamichhane,…
The Astrophysical Journal supplement Series  Published: 2026 June 8
DOI:10.3847/1538-4365/ae690d

宇宙観測の高精度モデリングに向けた基準データを提供(Study Provides Benchmark Data for Accurate Modelling of Space Observations)

Abstract

The charge-exchange (CX) reaction between highly charged ions from coronal mass ejections and neutrals in Earth’s magnetosphere provides key diagnostics for understanding the dynamics of the Sun–Earth space environment. However, the accuracy of current astrophysical laboratory modeling is affected by the limited availability of reliable state-selective CX cross sections. Here, using a high-resolution cold-target recoil-ion momentum spectroscopy apparatus, we present experimental measurements of state-selective single CX and double CX between 14N6+ ions and He atoms in the collision energy range from 6.43 to 42.86 keV u−1. For the single CX, we obtain the principal quantum number n-resolved fractions for electron transfer from He atoms to the n = 3, 4, 5, and ≥6 levels of 14N5+ ions. The semiclassical two-center atomic-orbital close-coupling calculations show good agreement with the experimentally obtained fractions for these state-selective electron capture processes. For double CX processes, we find that autoionizing double-electron capture populating doubly excited states of 14N4+ (1s2n) with n = 2, 3, 4, 1s2ℓnℓ (n ≥ 5), and 1s3n (n ≥ 4) dominates over true double-electron capture populating doubly excited states of 1s23, 1s24, and 1s2ℓnℓ (n ≥ 5) levels of 14N4+ ions. The results provide experimental benchmarks for theoretical calculations, which are useful for quantifying the abundances of N5+ and N6+ ions in coronal mass ejection events.

1701物理及び化学
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