Laboratory Plasma Spectroscopy for Astrophysics: Numerical modeling the magnetic confinement and applications to compact objects

Background: Strumenti spettrografici di nuova generazione promettono di raggiungere risoluzioni anche spaziali mai raggiunte in precedenza, che permetteranno di utilizzare metodi diretti (p.e. forma di linee spettrali) come metodi diagnostici primari delle condizioni fisiche del plasma che prescindono da ipotesi, rendendo possibile misure dirette di densità e temperature elettroniche anche per oggetti estesi come nebulose planetarie e il mezzo intergalattico negli ammassi di galassie, così come di separare effetti relativistici da distorsioni causate dalla geometria del sistema, come quelle che cooperano nel determinare la forma della riga K-alpha del Fe nelle regioni transrelativistiche dei dischi di accrescimento “freddi” intorno ai Buchi Neri supermassicci.

Metodo: Determinazione dei parametri atomici fondamentali di specie atomiche altamente ionizzate a densità e temperature il più possibile prossime a quelle tipiche di ambienti come regioni esterne di Buchi Neri supermassicci e nebulose planetarie, tra i possibili candidati. L’obiettivo è duplice: 1) acquisire spettri a bassa densità e alte temperature (n_e <~ 10^11 cm^-3, T_e >~ 1.2 KeV) e ricavare parametri come intensità di oscillatore e fattori di forma, 2) applicare questi risultati ad alcuni casi di altra rilevanza astrofisica. Tra questi uno dei principali sarà la modellizzazione della forma del complesso di righe del Fe tra 6.5 e 6.7 KeV che originano dalle regioni di accrescimento più interne dei dischi intorno ai Buchi Neri supermassicci, che permetterebbe una determinazione diretta dello spin di un Buco Nero di Kerr direttamente dalla misura della deformazione subita per effetti relativistici.

Obiettivi: Il segnale di ingresso negli spettrografi di plasma proviene da un plasma magneticamente confinato disomogeneo, con significativi gradienti assiali di densità e temperatura. La proposta consiste nel produrre modelli numerici di questa emissione utilizzando un codice relativistico MHD-PIC (Particle.in-Cell), TRISTAN-MP, che risolve le equazioni accoppiate MHD e girocinetiche. Il confronto tra gli spettri numerici e quelli osservati, assumendo specifiche distribuzioni di densità, temperatura e campi magnetici e lasciando i parametri atomici come liberi, permetterà di determinare questi ultimi con una incertezza quantificabile. Perseguendo un approccio interattivo, l’emissività radiaiva verrà anch’essa inclusa nel calcolo delle perdite termiche del plasma stesso.

Si prevede che il candidato sia in grado di sviluppare nuovi moduli numerici per TRISTAN-MP che permettano la modellizzazione del plasma, e l’interfacciamento con il database di dati atomici CHIANTI, ed infine produrre gli spettri sintetizzati di emissione per essere confrontati con gli spettri osservati da Supermassive Black Holes (SMBHs, vedi Mondai, Adhikari and Singh, MNRAS 505, 1072, [2021])

Background: A new generation of spectrographic instruments, extending from X-ray to the visible domain, hold the promises of an unprecedented spatial and spectral resolution, which will enable the exploitation of spectral features (line shapes, among others), as primary direct diagnostic tools of astrophysical plasmas. This will make possible the determination of electron densities and temperatures also in extended systems like Planetary Nebulae and the Intracluster Medium of clusters of galaxies and to disentangle general relativistic effects from geometric projection ones e.g. the reflection Fe K-alha lines in “cold” accretion discs around Supermassive Black Holes.

Method: The precise determination of fundamental atomic parameters for highly ionised atomic species under typical densities and temperatures as nearest as possible to those found around SMBHs and PNs (among others). We propose to exploit laboratory plasmas to: 1) acquire highly ionised spectral lines at low densities and high temperatures (n_e <~ 10^11 cm^-3, T_e >~ 1.2 KeV) and deduce fundamental atomic parameterslike oscillator strengths and shape factors, and 2) apply them to relevant astrophysical cases. One of the latter could be the shape of the Fe 6.5-6.7 KeV line complex from the innermost highly relativistic parts of the accretion discs in SMBHs, which will allow determining their fundamental parameter of a Kerr BH directly from modelling the line shape deformed by relativistic effects.

Goals: Spectrographs collect the emission from extended and magnetically confined plasmas in presence of very large gradients in temperature and density from the center to the edges. To disentangle the contributions of the different plasma regions and the non-isotropic atomic emission in presence of a magnetic field, we propose to characterize the confined plasma with TRISTAN-MP, a fully relativistic Particle-In-Cell (PIC) code for plasma physics computations andwhich self-consistently solves the full set of MHD equations, along with the relativistic equations of motion for the charged particles. Observed spectral lines will be compared with the sum of cell-to-cell contributions computed by assuming the TRISTAN-MP temperature, density, and magnetic field geometry as a function of atomic parameters that will be assumed as free variables. In an interactive approach, the radiative emissivity will be included in the plasma cooling rate.

The successful candidate is expected to develop the TRISTAN-MP routines to model the laboratory plasma environments, interface TRISTAN-MP with the CHIANTI atomic database, and to produce the final synthetic spectral emission to be compared with the experimental spectroscopic data.ha lines in “cold” accretion discs around Supermassive Black Holes (SMBHs, see e.g. Mondai, Adhikari and Singh, MNRAS 505, 1072, [2021]).