R-matrix calculations for opacities: V. Temperature-density dependence of photoabsorption cross sections and opacity spectra of oxygen ions O VI and O VII

Résumé technique : Calculs de la matrice R pour les opacités : V. Dépendance en température et en densité des sections efficaces de photoabsorption et des spectres d'opacité des ions d'oxygène O VI et O VII

Énoncé du problème
Ce travail répond au besoin de données atomiques précises pour résoudre les divergences dans les modèles de l'intérieur solaire, à savoir le « problème des abondances solaires » où les analyses spectroscopiques modernes en NLTE (équilibre thermodynamique local non atteint) en 3D suggèrent des abondances de C, N et O plus faibles que ce qui était précédemment considéré. L'incorporation de ces abondances réduites dans les modèles solaires standards (SSM) crée des conflits significatifs avec les données héliosismologiques, notamment des écarts dans les profils de vitesse du son et dans la profondeur de la base de la zone de convection (BCZ). Alors que les articles précédents de la série RMOP (R-Matrix Opacity) se concentraient sur les ions de fer, l'oxygène est 17 fois plus abondant que le fer dans le Soleil et contribue environ à 25 % de l'opacité moyenne de Rosseland à la BCZ. Une modélisation précise des ions d'oxygène, particulièrement O VI (type Li) et O VII (type He), est essentielle pour résoudre ces divergences. De plus, les données existantes du projet OP (Opacity Project) manquent de la gamme d'énergie et du détail des résonances nécessaires pour les conditions de plasma à haute densité d'énergie (HED).

Méthodologie
Les auteurs utilisent la méthode de la matrice R de Breit–Pauli (BPRM) pour calculer les sections efficaces de photoionisation et les opacités monochromatiques pour O VI et O VII. Le cadre de calcul implique :

1. Structure atomique : Utilisation d'expansions de fonctions d'onde de type couplage étroit (CC) incluant les niveaux de structure fine de l'ion de niveau supérieur suivant comme états de cœur (jusqu'à $n \le 10, \ell \le 9$). Cette approche capture l'interférence quantique entre les canaux ouverts et fermés, générant des séries denses de résonances d'auto-ionisation (AI), incluant de fortes caractéristiques de photoexcitation du cœur (PEC).
2. Élargissement du plasma : Les sections efficaces BPRM intrinsèques, non élargies, sont modifiées pour tenir compte des effets de l'environnement du plasma (collisions électroniques, microchamps ioniques/effet Stark, Doppler thermique et transitions libre-libre). Ceci est réalisé via une convolution lorentzienne des sections efficaces non élargies, où la largeur totale $\Gamma$ est la somme des contributions collisionnelles, Stark, Doppler et libre-libre. Aux conditions de la BCZ ($T \sim 10^6$ K, $N_e = 10^{22}–10^{23}$ cm$^{-3}$), l'élargissement par impact électronique est identifié comme le mécanisme dominant.
3. Grille et conditions : Les calculs sont effectués le long de deux isothermes représentatives de la BCZ solaire : $T = 1 \times 10^6$ K et $T = 2 \times 10^6$ K. Les densités électroniques ($N_e$) s'étendent de $10^{18}$ à $10^{23}$ cm$^{-3}$.
4. Calcul de l'opacité : Les opacités monochromatiques ($\kappa_\nu$) sont dérivées en combinant les sections efficaces de liaison-rupture (bound-free) élargies avec les profils de raies de liaison-liaison (bound-bound) traités avec les formalismes d'élargissement standards et les populations de niveaux fournies par l'équation d'état de Mihalas-Hummer-Däppen (MHD).

Contributions clés

• Gamme d'énergie étendue et structure de résonance : Contrairement à la base de données OP, qui se termine à des énergies plus basses et manque de résonances d'auto-ionisation, les calculs RMOP s'étendent de manière continue vers des hautes énergies ($\sim 250$ Ry pour O VI et $\sim 700$ Ry pour O VII). Ils résolvent explicitement les riches structures de résonances d'auto-ionisation (AI) convergeant vers divers seuils de cœur.
• Systématique de l'élargissement du plasma : L'étude cartographie la dépendance en température et en densité de la dissolution des résonances. Elle identifie des seuils de densité spécifiques où les résonances AI commencent à s'élargir et où elles se dissolvent complètement dans le continuum, aplatissant la section efficace de fond.
• Comparaison avec OP : Le travail fournit une comparaison directe entre les nouvelles données BPRM et les résultats hérités de l'OP, mettant en évidence des différences quantitatives tant dans les sections efficaces que dans les opacités résultantes.

Résultats

• Sections efficaces de photoionisation :
  • O VI (type Li) : Les sections efficaces RMOP présentent une structure riche de résonances d'AI s'étendant sur plusieurs ordres de grandeur au-dessus du continuum, absente dans les données OP. À mesure que la densité électronique augmente, ces résonances s'estompent progressivement. À des densités de la BCZ ($N_e = 10^{23}$ cm$^{-3}$), la structure de résonance est largement dissoute, résultant en une section efficace presque plate dans la région 40–60 Ry.
  • O VII (type He) : Un comportement similaire est observé, avec des grappes de résonances denses dans la fenêtre 40–63 Ry. L'étude note une réponse différentielle entre les grappes de résonances (par exemple, 47–50 Ry contre 57–60 Ry), où les grappes ayant des résonances plus rapprochées se dissolvent à des densités plus faibles.
• Opacités monochromatiques :
  • O VI : RMOP produit des opacités systématiquement plus élevées que OP dans la région de basse énergie (0,02–0,2 keV), ce qui est critique pour l'opacité moyenne de Rosseland à $T \sim 10^6$ K. Le rapport moyen RMOP/OP est de $\sim 7$ (médiane $\sim 4$), avec des augmentations locales dépassant un ordre de grandeur au niveau des caractéristiques de résonance.
  • O VII : Les opacités RMOP sont également plus élevées que celles de l'OP, bien que la divergence soit plus faible (rapport moyen $\sim 1,4$, médiane $\sim 1,2$). L'augmentation est attribuée à la dissolution des structures de résonance qui augmente l'opacité de fond, ainsi qu'à l'inclusion de plus d'effets de corrélation dans le traitement BPRM.
• Limites d'élargissement : Le Tableau 2 résume les limites de densité pour l'élargissement des résonances. Pour O VI et la grappe de résonance O VII 47–50 Ry, le début de l'élargissement se produit autour de $N_e \sim 10^{20}$ cm$^{-3}$, avec une dissolution se produisant près de $10^{22}–10^{23}$ cm$^{-3}$. La grappe O VII 57–60 Ry persiste à des densités plus élevées ($\sim 10^{23}$ cm$^{-3}$).

Signification
L'article affirme que ces résultats résolus par ion sont des blocs de construction fondamentaux pour les futurs calculs d'opacité totale de l'oxygène et de mélange solaire. Les conclusions suggèrent que les traitements R-Matrix améliorés, qui incluent la structure fine relativiste, une corrélation étendue et l'élargissement du plasma, mènent à des opacités systématiquement plus élevées que celles prédites précédemment. Ce travail est présenté comme étant généralement applicable à la modélisation des plasmas HED en astrophysique et à l'analyse des spectres de transmission dans les expériences de laboratoire, telles que celles menées sur des dispositifs de fusion par confinement inertiel (ICF). Les auteurs notent que bien que l'opacité totale de l'oxygène ait été mesurée dans des installations comme le Sandia Z, les contributions individuelles des ions ne pouvaient pas être déduites de ces expériences, soulignant la nécessité des données théoriques présentées ici. Ce travail fait partie d'un effort plus large visant à résoudre les divergences dans les modèles stellaires standards à l'aide de données atomiques mises à jour.