高分辨率光谱装置表征及钕离子跃迁概率实验测定在天体物理建模中的关键意义

本研究针对天体物理建模中镧系元素（尤其是钕）精确原子数据匮乏的问题，报道了一种优化用于测量钕谱线跃迁概率的高分辨率光谱装置的系统表征。研究人员通过升级光谱系统、改进空心阴极灯设计，并利用玻尔兹曼图法对15条Nd II谱线的跃迁概率进行测量，结果与参考值吻合度达30%以内。该研究验证了部分局部热力学平衡（pLTE）假设在实验条件下的适用性，为未来测量目前尚未报道的Nd III跃迁概率奠定了坚实基础，对千新星不透明度建模等天体物理应用具有重要意义。

　　

在天体物理学飞速发展的今天，我们对宇宙的认知越来越依赖于精确的原子光谱数据。特别是在观测到中子星并合事件GW170817及其电磁对应体AT2017gfo之后，科学家们意识到，准确理解千新星（kilonova）的光变曲线和光谱特征，迫切需要大量可靠的镧系元素原子参数。其中，钕（Neodymium, Nd）作为镧系代表元素，在天体光谱中屡屡现身——从APOGEE项目的H波段光谱到盖亚（Gaia）卫星的最新数据发布，从太阳光球层到各类恒星天体，甚至热化学特殊星体中，都能找到它的踪迹。

然而，由于镧系元素具有开放的4f亚壳层结构，其光谱复杂程度极高，谱线密集且相互重叠，给实验测量带来了巨大困难。目前，尽管理论计算有所进展，但实验数据的缺乏严重制约了千新星模型精细化的发展。更令人头疼的是，对于双电离的钕离子（Nd III），可靠的实验跃迁概率数据在主要数据库中几乎是一片空白。这就像试图用残缺的地图探索未知领域，科学家们急需一套高精度、高分辨的光谱测量工具来填补这一空白。

在这样的背景下，来自巴利亚多利德大学的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》上发表了一项重要研究。他们不仅成功构建并优化了一套高分辨率光谱实验装置，还通过对钕离子谱线的精确测量，验证了关键物理假设的可靠性，为未来系统测量Nd III跃迁概率扫清了道路。

研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：使用改装的高电流空心阴极灯产生稳定钕等离子体；采用1.5米切尔-特纳光谱仪与高灵敏度CMOS探测器组合，实现最高150,000的分辨能力；通过光谱定标、分辨率评估和仪器响应函数测定等手段进行系统表征；利用玻尔兹曼图法测量Nd II跃迁概率以验证部分局部热力学平衡假设。实验在30-200 Pa氩气环境下进行，放电电流最高达1 A。

实验装置表征方面，研究人员对光谱系统进行了全面优化。他们采用的PCO Edge 4.2 bi-USB sCMOS相机具有2048×2048像素阵列，每个像素仅6.5 μm，量子效率在600 nm处高达95%。通过He-Ne激光器精确校准，他们发现光谱仪入口狭缝存在明显曲率，采用圆拟合模型进行校正后，光谱分辨率得到显著提升。在632.8 nm处，系统能够实现4.5 pm的仪器展宽，对应分辨率达150,000，较先前使用ICCD相机7 pm的表现有大幅改善。

在色散校准方面，研究团队通过测量钠灯和氩气空心阴极灯中的一系列标准谱线对，精确确定了波长与探测器通道间的对应关系。他们发现在550 nm以上波长区域，由于相机传感器前保护窗的抗反射涂层干扰，出现了明显的振荡现象，这导致c/f实验值与制造商提供值产生约2%的偏差。这一问题促使他们将相机返回制造商移除此窗，以减小测量不确定度。

噪声特性研究表明，该CMOS相机的暗噪声与狭缝宽度和曝光时间无关，仅与采集帧数相关。通过采集500帧暗场图像并求平均，他们确定了暗噪声的空间分布特性，发现其变异系数仅为1.13%，且呈现出特定的周期性分布模式。这一发现对后续光谱数据的精确处理具有重要意义。

响应函数测定过程中，研究人员使用经过校准的氘灯（200-380 nm）和钨灯（370-800 nm）系统测量了整套光谱系统的灵敏度响应。通过76个数据组（覆盖200-800 nm范围）的测量，他们建立了响应函数的解析模型，为后续跃迁概率的精确测定提供了基础。

最引人注目的是研究人员对Nd II跃迁概率的测量验证工作。他们从Den Hartog等人2003年的研究中选择了15条具有高精度跃迁概率值（NIST精度等级B或更好）的Nd II谱线，这些谱线分布在378-521 nm光谱范围内。通过在450 mA电流、729电压和30 Pa压力条件下采集光谱数据，研究人员使用多高斯模型配合线性背景对提取的光谱段进行拟合，精确测定了各谱线的强度。

通过玻尔兹曼图法，研究人员成功确定了这些谱线的跃迁概率值。结果显示，新测量的跃迁概率值与参考值的一致性在30%以内，这一结果有力地支持了部分局部热力学平衡（pLTE）假设在实验条件下的有效性。特别值得注意的是，随着上能级能量的增加，测量不确定度呈现下降趋势，这与局部热力学平衡条件下的预期完全一致。

研究结论与讨论部分强调，这项工作不仅成功表征了优化后的高分辨率光谱系统，还验证了pLTE假设在改装空心阴极灯中对于Nd II的适用性。由于Nd III的能级比Nd II更高，在相同等离子体条件下更容易达到热平衡状态，因此pLTE假设对于Nd III甚至更加可靠。这一结论具有重要意义，因为它为未来直接测量Nd III跃迁概率提供了实验依据和方法学基础，而无需依赖目前极其有限的实验寿命数据。

这项工作为填补原子数据库中的重要空白迈出了关键一步，特别是针对双电离镧系元素的数据匮乏问题。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜等新一代观测设施投入运行，对精确原子数据的需求将愈发迫切。本研究建立的高精度测量方法和验证的物理假设，将为未来系统测量Nd III及其他镧系离子跃迁概率提供可靠基础，最终推动千新星不透明度建模等天体物理研究领域的实质性进展。