[논문]탄소, 질소 및 산소의 충돌이온화평형에서의 전하교환 효과

선광일

doi:10.5140/jass.2004.21.4.343

탄소, 질소 및 산소의 충돌이온화평형에서의 전하교환 효과
CHARGE EXCHANGE EFFECTS IN COLLISIONAL IONIZATION EQUILIBRIUM OF C, N, AND O IONS 원문보기

韓國宇宙科學會誌 = Journal of astronomy & space sciences, v.21 no.4, 2004년, pp.343 - 350

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수소와의 충돌에 의한 전하교환은 천체플라즈마의 물리적 특성에 매우 중요한 영향을 미친다. 이 논문에서는 탄소, 질소 및 산소에 대해 전하교환(charge exchange)을 고려하여 약 1,000--80,000K의 온도에서의 충돌이온화평형(collisional ionization equilibrium)상태를 연구하였다. 온도에 따른 이온함량비(ionic abundance fraction)를 기존의 전하교환을 고려하지 않은 경우와 비교하였다. 이 논문에서 계산된 이온함량비는 충돌이온화평형상태의 중온성간물질(warm interstellar medium, $T{\sim}10^4K$)의 분광학적인 특성을 이해하는데 사용될 수 있다. 또한, 산소의 이온화정도(degree of ionization)와 수소의 이온화정도의 비율이 충돌이온화가 중요하지 않은 경우에 잘 알려진 값과 많은 차이가 있음을 발견하였다. 이 차이는 중온성간물질에서의 충돌이온화에 대한 연구가 필요함을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The charge exchange (or transfer) due to collision with hydrogen has important effects on the physical characteristics of astrophysical plasma. In this paper, collisional ionization equilibrium in the temperature range of ${\sim}1,000--80,000K$ are investigated for C, N, and O ions including the effects of charge exchange. The calculated ionic abundance fractions are compared with those of previous works. The ionic abundance fractions calculated in the paper can be used in understanding the spectroscopic properties of warm interstellar medium. It is also found that the ratio between the degree of ionization of oxygen and that of hydrogen shows big difference with the previously well-known result for the environment where the collisional ionization is not important. This implies that investigations on the collisional ionization in the warm interstellar medium are required.

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문제 정의

이로부터 중온성간물질에서 충돌이온화가 중요하게 된다면 Field & Steigman(1971)의 결과를 이용할 수 없음을 알았다. 따라서 중온성간물질에서의 충돌이온화에 대해 자세한 연구를 추후 수행하고자 한다.
이 논문에서는 Mazzotta et al. (1998)이 사용한 전자와의 충돌에 의한 이온화 및 재결합율과 함께 수소와의 충돌에 의한 전하교환을 고려하여, 천문학에서 중요한 원소들인 탄소, 질소 및 산소에 대한 충돌이온화평형에 대해 연구하였다. 또한, 중온성간물질(warm interstellar medium, T ~ 104K)의 연구에서 중요한 산소의 이온화정도(degree of ionization)와 수소의 이온화정도의 비율을 계산하였다.

가설 설정

Field&Steigman(1971)은 성간물질에서 이온화평형상태 및 전하교환의 중요성을 연구하였다. 그 들은 우주선에 의한 이온화, 전자와의 충돌에 의한복사재결합 및 수소와의 전하교환에 의해 이온화평 형상태가 이루어진다고 가정하고, 10-10, 000K의 온도범위에서 산소의 이온화정도N(O+)/N(O°)와 수소의 이온화정도 N(H+)/N(H°) 사이의 관계를 구하였다. 특흐], 그들은 l, 000K 이상의 온도에서는 우주선에 의한 이온화와 전자에 의한복사재결합을 무시할수 있으며 오직 수소와의 전하교환에 의해서만 산소의 이온화상태가 결정됨을 보였다.

제안 방법

그러나, 약 105K 미만의 온도범위에 존재할수 있는 모든 이온화상태에 대한 전하교환율이 알려져 있는 원소는 오직 탄소, 질소와 산소뿐이다. 따라서 위의 3개의 원소에 대한 전하교환율을 고려하여 충돌이온화평형상태 에서의 이온함량비를 계산하였다.
(1998)이 사용한 전자와의 충돌에 의한 이온화 및 재결합율과 함께 수소와의 충돌에 의한 전하교환을 고려하여, 천문학에서 중요한 원소들인 탄소, 질소 및 산소에 대한 충돌이온화평형에 대해 연구하였다. 또한, 중온성간물질(warm interstellar medium, T ~ 104K)의 연구에서 중요한 산소의 이온화정도(degree of ionization)와 수소의 이온화정도의 비율을 계산하였다. 이 결과를 중온성간물질 연구에서 많이 쓰이고 있는 Field & Steigman(1971)의 결과와 비교하 였다.

이론/모형

598 eV와 거의 동일하며 따라서 전하교환 반응이 거의 공명 에 가깝다고 볼 수 있다(Dopita & Sutherland 2003). 수소와의 충돌에 의한 전하교환율은 Kingdon & Ferland(1996)에 의해 가장 잘 정리가되었으므로 이들의 결과를 이용하였다. 그러나, 약 105K 미만의 온도범위에 존재할수 있는 모든 이온화상태에 대한 전하교환율이 알려져 있는 원소는 오직 탄소, 질소와 산소뿐이다.
(1998)은 천문학적으로 중요한 15개의 원소에 대해서는 Arnaud & Rothen- Hug(1985)와 Arnaud & Raymond(1992)에서 정리한 전자충돌에 의한 이온화율을 사용하였고, 그 외의 원소에 대해서는 전자갯수가 같은 동계열(isosequence)를 따라 내삽하여 구하였다. 이 연구에서도 Mazzotta et al. (1998)과 동일한 이온화율을 사용하였으며 직접이온화뿐만 아니라, 들뜸자동이 온화도 고려하였다. 전자와의 충돌에 의한 복사재 결합율 및 이전자성재결합율도 역시 Mazzotta et al.

성능/효과

특흐], 그들은 l, 000K 이상의 온도에서는 우주선에 의한 이온화와 전자에 의한복사재결합을 무시할수 있으며 오직 수소와의 전하교환에 의해서만 산소의 이온화상태가 결정됨을 보였다. 결과적으로 l,000K 이상의 온도에서는 N(O⁺)/N(O°) ≈#N(H⁺)/N(H°)을 만족함을 보였다.
그 들은 우주선에 의한 이온화, 전자와의 충돌에 의한복사재결합 및 수소와의 전하교환에 의해 이온화평 형상태가 이루어진다고 가정하고, 10-10, 000K의 온도범위에서 산소의 이온화정도N(O+)/N(O°)와 수소의 이온화정도 N(H+)/N(H°) 사이의 관계를 구하였다. 특흐], 그들은 l, 000K 이상의 온도에서는 우주선에 의한 이온화와 전자에 의한복사재결합을 무시할수 있으며 오직 수소와의 전하교환에 의해서만 산소의 이온화상태가 결정됨을 보였다. 결과적으로 l,000K 이상의 온도에서는 N(O⁺)/N(O°) ≈#N(H⁺)/N(H°)을 만족함을 보였다.

참고문헌 (23)

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Shull, J. M., & van Steenberg, M. 1982, A&AS, 48, 95
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Tucker, W. H., & Gould, R. J. 1966, ApJ, 144, 256
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Young, P. R., Del Zanna, G., Landi, E., Dere, K. P., Mason, H. E., & Landini, M. 2003, ApJS, 144, 135

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