铁，作为宇宙和太阳系中丰度极高的重元素之一，在天体物理中扮演着极为重要的角色。近日，中国科学院近代物理研究所科研人员及其合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSRm），开展了M壳层类钠铁离子Fe¹⁵⁺的双电子复合精密谱学实验，首次获得了质心系碰撞能量为0-90 eV范围内的电子离子复合绝对速率系数，为天体和聚变等离子体诊断和建模提供了重要数据。相关成果发表在天体物理杂志The Astrophysical Journal Supplement Series（ApJS 278 (2025) 44）上。

铁元素在宇宙中广泛分布，其离子形态在X 射线波段会产生独特的发射线和吸收线。这些光谱特征就像天体的“指纹”，能够精准地揭示恒星和星系的温度、密度、化学组成以及动力学状态等诸多关键信息。近年来，科研人员投入了大量精力深入探究其光谱特性。例如 ，2024 年成功发射的 XRISM卫星，它借助高分辨率微热量计成功捕捉到了位于大麦哲伦云中的超新星遗迹（SNR）N132D的X 射线光谱，其中清晰地包含了铁元素的K壳层发射线。

然而，要精准解读这些光谱信号，科研人员就必须掌握等离子体中电荷态的分布规律，而双电子复合过程正是决定等离子体中电荷态平衡分布的核心因素。

基于兰州重离子加速器冷却储存环开展的高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验具有较高的能量分辨，且其电子-离子相对能量可大范围精密调制，是目前唯一能够精确测量低能碰撞复合截面关键数据的实验方法。科研团队在对M壳层类钠铁离子 Fe¹⁵⁺的实验中，成功测量了 0-90 eV 能量范围内的复合速率系数。他们将实验结果与最新的理论Flexible Atomic Code (FAC) 、AUTOSTRUCTURE、Jena Atomic Calculator (JAC)计算的结果仔细对比，解析出每个共振结构的来源。同时，科研人员从双电子复合速率系数得到了可用于等离子体建模的等离子体速率系数，并与此前的理论数据作了对比研究。

他们发现，目前的理论方法在处理强关联电子体系时存在明显偏差，特别是双激发态 4ℓ4ℓ′ 的描述上，实验结果与理论预测仍然存在差异。实验获得的等离子体速率系数澄清了不同的理论计算方法的适用范围。另外，本次实验获得的DR精密谱可用于研究高电荷态离子的能级结构从而检验各种原子物理结构计算的理论方法，并可为天体和聚变等离子体诊断和建模提供高精度的基本输入参数。在此基础上完成的HIRFL-CSRe和HIAF-SRing上的高电荷态离子双电子复合精密谱学研究计划近期已发表在国内的《物理学报》杂志，并被选为封面文章。

此项双电子复合精密谱学实验研究工作由中国科学院近代物理研究所主导，联合中国科学技术大学、复旦大学、英国思克莱德大学、德国亥姆霍兹重离子研究中心、德国吉森大学等单位共同完成。论文第一作者为近代物理所博士生黄厚科，近代物理所汶伟强研究员和马新文研究员为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委等项目的支持。

图1：类钠Fe¹⁵⁺离子的双电子复合精密谱。测量的电子-离子相对能量范围为 0- 90 eV，包含了 3𝑠 → 3𝑝和 3𝑠 → 3𝑑（Δ𝑛 = 0）核心激发以及所有4ℓ4ℓ′ 共振相关的DR共振结构。在0到40 eV的能量范围内，AUTOSTRUTURE、FAC和JAC理论计算 结果与实验数据非常一致。然而，在40到90eV的能量范围内，由于4ℓ4ℓ′共振具有强电子关联效应，三种理论计算结果与实验数据之间均存在差异。

图2：类钠Fe¹⁵⁺离子的等离子体速率系数，黑实线为实验结果，其他数据为此前的理论计算结果。

文章链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/adcc25

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.73.20240211

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.74.20241589

（原子分子结构与动力学室     供稿）