Advanced

Theoretical Atomic Spectroscopy of Earthbound and Stellar Plasma

Grumer, Jon LU (2016)
Abstract (Swedish)
Ljus är verkligen fantastiskt. Det kan ge oss känslomässiga upplevelser, som när det faller genom en trädkrona i en skog eller vid en blodröd fullmåne, men det gör det också möjligt för oss att uppfatta och förstå vår omgivning. Majoriteten av den information vi kan tillgodogöra oss om Universum, får vi genom det ljus som atomer och joner i olika kosmiska objekt sänder ut. Varje foton - den minsta energimängd ljus som kan överföra information - bär information i form av energi med en viss intensitet och våglängd. För att komma åt denna information låter man det till synes enfärgade ljuset, falla genom ett prisma så att det delas upp i färger av olika våglängder – ett så kallat spektrum.

Stjärnor, som vår egen sol, sänder ut ljus... (More)
Ljus är verkligen fantastiskt. Det kan ge oss känslomässiga upplevelser, som när det faller genom en trädkrona i en skog eller vid en blodröd fullmåne, men det gör det också möjligt för oss att uppfatta och förstå vår omgivning. Majoriteten av den information vi kan tillgodogöra oss om Universum, får vi genom det ljus som atomer och joner i olika kosmiska objekt sänder ut. Varje foton - den minsta energimängd ljus som kan överföra information - bär information i form av energi med en viss intensitet och våglängd. För att komma åt denna information låter man det till synes enfärgade ljuset, falla genom ett prisma så att det delas upp i färger av olika våglängder – ett så kallat spektrum.

Stjärnor, som vår egen sol, sänder ut ljus av alla våglängder, och den uppfattade färgen är ett mått på stjärnans temperatur, precis så som färgen på en järnbit ändras från gult, via violett och blått, till rött under upphettning. Undersöker man stjärnspektrumet närmare så upptäcker man smala mörka band som bryter av den kontinuerliga färgfördelningen. Dessa linjer uppstår då ljuset passerar genom stjärnans atmosfär och där delvis absorberas av atomer, joner eller molekyler. Ett exempel på ett sådant absorptionsspektrum från Solen visas i figur 1.1 på sida 5 i kapitel 1.

Varje grundämne i periodiska tabellen har ett helt eget unikt fingeravtryck med avseende på vilka våglängder det kan absorbera eller avge i form av fotoner. Så, genom att studera exempelvis absorptionsspektra från stjärnor, och jämföra med spektra för enskilda atomer eller joner bestämda via experiment i laboratorier eller matematiska modeller, kan vi bestämma vilka ämnen som absorberade det kontinuerliga ljuset och skapade de mörka absorptionslinjerna. Vet vi dessutom hur mycket ljus som olika ämnen förväntas absorbera vid en viss färg, så kan vi bestämma den totala kemiska sammansättningen i stjärnans atmosfär. Det har visat sig att ytterligare information om miljön i vilken atomen befinner sig, såsom temperaturer, densiteter eller styrkan på magnetfält, också kan bestämmas på detta sätt.
Den här avhandlingen handlar om atomer och deras joner, och att genom kvantmekaniska modeller och datorsimuleringar förutsäga deras egenskaper, för just sådana syften som vid studier av stjärnatmosfärer.

Av särskilt intresse är hur atomer påverkas av omgivande magnetfält, i exempelvis solens yttre atmosfär – den s.k. koronan. Även om Solen är den stjärna vi känner bäst, så är en av de största gåtorna för astronomer hur koronan kan ha en temperatur på miljontals C, då solens yta endast är ungefär 6000 C. Ett relaterat mysterium är vad för slags processer som ger upphov till de kraftfulla solstormar som, om de träffar jorden, ger upphov till norrsken, men kan också slå ut teknisk utrustning. Figure 1.3 på sida 10 visar en bild på en så kallad korona-massutkastning, som när den träffade jorden ett par dagar senare gav uppphov till kraftfullt norrsken. Ett exempel är från 2003 då 50 000 Malmöbor stod strömlösa under en timmes tid, och den bakomliggande orsaken tros vara jordmagnetiska strömmar orsakade av solstormar. Ett annat exempel är då Karlstads telefonstation natten till pingstdagen 1921, fattade eld på grund strömmar inducerade av en kraftig solstorm, med skador som förvärrades ytterligare av att även larmsystemet till brandkåren slogs ut. Förklaringarna till solstormarna tros ligga i komplexa processer i de magnetfält som omsveper Solens yta. I dagsläget finns det dock inte några tillförlitliga metoder för att undersöka magnetfälten i koronan.

I den här avhandlingen undersöker vi, bland annat, en alternativ metod för att mäta magnetfälten i Solens atmosfär, med målet att förutsäga det så kallade rymdvädret. (Less)
Abstract
Motivated by spectroscopic analysis of astrophysical and laboratory plasma, this thesis concerns the fundamental structure and spectral properties of atoms and their ions. The multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF) method is used to predict the emission or absorption of radiation, by atomic systems in general, and of heavy and highly charged ions in particular.

The first set of publications, paper AI to AVII, concerns ab-initio predictions of atomic structure and radiative transition rates, with a particular focus on relativistic and electron correlation effects. Systematic and large-scale MCDHF calculations have been carried out, often in combination with electron-beam ion trap experiments.

The second set, BI to... (More)
Motivated by spectroscopic analysis of astrophysical and laboratory plasma, this thesis concerns the fundamental structure and spectral properties of atoms and their ions. The multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF) method is used to predict the emission or absorption of radiation, by atomic systems in general, and of heavy and highly charged ions in particular.

The first set of publications, paper AI to AVII, concerns ab-initio predictions of atomic structure and radiative transition rates, with a particular focus on relativistic and electron correlation effects. Systematic and large-scale MCDHF calculations have been carried out, often in combination with electron-beam ion trap experiments.

The second set, BI to BVIII, presents a rigorous treatment of effects from non-spherical interactions with certain nuclei - hyperfine interaction - and external magnetic fields - Zeeman interaction - on atomic spectra. A general methodology has been developed and implemented in computer codes to include these perturbations in the wavefunctions and to determine their impact on the resulting spectra. Of particular interest are spectral intensity redistributions and unexpected transitions, and their applications to stellar abundance analyses, magnetic-fields effects in storage-ring experiments, and coronal magnetic-field measurements. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Lindroth, Eva, Stockholm University, Department of Physics
organization
alternative title
Teoretisk Atomspektroskopi av Jordbundna och Stellära Plasman
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
atomstruktur, atomära processer, elektronkorrelation, plasmaspektroskopi, magnetfält, hyperfinstruktur, solkoronan, rymdväder, förekomst av grundämnen i stjärnor, datorsimuleringar, Zeemaneffekt, relativistiska effekter, atomic structure, atomic processes, computer simulation, electron correlation, relativistic atomic theory, plasma spectroscopy, Zeeman effect, magnetic fields, hyperfine structure, solar corona, space weather, stellar abundances, Fysicumarkivet A:2016:Grumer
pages
368 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Physics
defense location
Physicum, Rydberg Lecture Hall, Sölvegatan 14A, Lund
defense date
2016-10-21 09:15
ISBN
978-91-7623-996-4
978-91-7623-997-1
language
English
LU publication?
yes
id
7f39d82e-efbf-40c4-b503-26526a6d9a56
date added to LUP
2016-09-20 23:39:46
date last changed
2017-08-08 09:19:47
@phdthesis{7f39d82e-efbf-40c4-b503-26526a6d9a56,
  abstract     = {Motivated by spectroscopic analysis of astrophysical and laboratory plasma, this thesis concerns the fundamental structure and spectral properties of atoms and their ions. The multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF) method is used to predict the emission or absorption of radiation, by atomic systems in general, and of heavy and highly charged ions in particular.<br/><br/>The first set of publications, paper AI to AVII, concerns ab-initio predictions of atomic structure and radiative transition rates, with a particular focus on relativistic and electron correlation effects. Systematic and large-scale MCDHF calculations have been carried out, often in combination with electron-beam ion trap experiments.<br/><br/>The second set, BI to BVIII, presents a rigorous treatment of effects from non-spherical interactions with certain nuclei - hyperfine interaction - and external magnetic fields - Zeeman interaction - on atomic spectra. A general methodology has been developed and implemented in computer codes to include these perturbations in the wavefunctions and to determine their impact on the resulting spectra. Of particular interest are spectral intensity redistributions and unexpected transitions, and their applications to stellar abundance analyses, magnetic-fields effects in storage-ring experiments, and coronal magnetic-field measurements.},
  author       = {Grumer, Jon},
  isbn         = {978-91-7623-996-4},
  keyword      = {atomstruktur,atomära processer,elektronkorrelation,plasmaspektroskopi,magnetfält,hyperfinstruktur,solkoronan,rymdväder,förekomst av grundämnen i stjärnor,datorsimuleringar,Zeemaneffekt,relativistiska effekter,atomic structure,atomic processes,computer simulation,electron correlation,relativistic atomic theory,plasma spectroscopy,Zeeman effect,magnetic fields,hyperfine structure,solar corona,space weather,stellar abundances,Fysicumarkivet A:2016:Grumer},
  language     = {eng},
  pages        = {368},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Physics},
  school       = {Lund University},
  title        = {Theoretical Atomic Spectroscopy of Earthbound and Stellar Plasma},
  year         = {2016},
}