剧烈的中子星碰撞：解开重元素的起源

多极跃迁是指原子或离子从一个能级跃迁到另一个能级时，发射或吸收的电磁辐射具有多极矩的情况。多极矩是一种描述电荷或电流分布的物理量，它可以分为电多极矩和磁多极矩。电多极矩包括电偶极矩、电四极矩、电八极矩等，而磁多极矩包括磁偶极矩、磁四极矩、磁八极矩等。

根据量子力学的选择定则，不同类型的多极跃迁有不同的光谱线强度和选择定则。例如，电偶极跃迁（E1）是最常见的一种跃迁，它要求能级之间的总角动量改变为1，而电荷宇称不变；而磁偶极跃迁（M1）要求能级之间的总角动量改变为0或1，而电荷宇称不变；而电四极跃迁（E2）要求能级之间的总角动量改变为0、1或2，而电荷宇称改变。

超新星遗迹是指恒星在其生命周期末期发生剧烈爆发后留下的气体和尘埃云。这些爆发可以产生巨大的能量和辐射，同时也可以合成一些重元素，如金、铂等。超新星遗迹中的物质会随着时间逐渐冷却和膨胀，形成不同阶段的光谱特征。其中一种特殊的超新星遗迹是由双中子星合并产生的，它被称为千新星。千新星可以同时产生引力波和电磁波信号，为我们探索宇宙中重元素的起源提供了重要线索。

那么，锡二价离子和千新星有什么关系呢？锡二价离子是指锡原子失去一个电子后形成的离子，它有50个质子和50个电子。锡是一种中等质量的元素，它可以通过R过程（快速中子俘获过程）在超新星遗迹中合成。R过程是指原子核在高密度和高温下快速吸收大量中子而形成更重的核素的过程。R过程可以产生一些稳定或放射性的重元素，如铀、钍等。

锡二价离子在超新星遗迹中可以发生多种类型的多极跃迁，其中一些是禁止跃迁，即在低密度和低温下发生的概率很小的跃迁。禁止跃迁的特点是它们的寿命很长，因此它们可以在超新星遗迹中累积辐射，形成一些特殊的光谱线。这些光谱线可以帮助我们识别超新星遗迹中的元素组成和物理条件。

发表在欧洲物理学杂志的一篇论文使用了一种先进的计算方法，结合了线性化耦合簇（LCC）和组态相互作用（CI）的技术，来计算锡二价离子的能级和多极跃迁概率。LCC是一种处理强关联电子体系的方法，它可以考虑电子之间的相互作用和相关效应。CI是一种构造原子或分子波函数的方法，它可以考虑不同电子组态之间的混合和耦合。作者使用了LCC来计算锡二价离子的基态和低激发态的波函数，然后使用CI来计算高激发态的波函数。这样，他们可以得到锡二价离子的能级和多极跃迁概率的精确值，并与实验数据进行比较。

他们发现，他们的计算结果与实验数据非常吻合，证明了他们的方法的有效性和可靠性。研究人员使用了他们计算得到的多极跃迁概率，来分析AT2017gfo超新星遗迹的发射光谱。AT2017gfo是在2017年8月17日被观测到的一次千新星事件，它与引力波信号GW170817有关。这次事件被认为是由双中子星合并产生的，它为我们研究重元素起源提供了宝贵的信息。

研究人员使用了一种辐射转移模型，来模拟AT2017gfo超新星遗迹的发射光谱。辐射转移模型是一种描述光在物质中传播和吸收的物理模型，它可以考虑物质的温度、密度、组成和几何形状等因素。他们使用了一种球对称的辐射转移模型，假设超新星遗迹由两个不同的物质层组成：一个是由轻元素（如氢、氦等）构成的外层，一个是由重元素（如锡、金等）构成的内层。研究人员使用了他们计算得到的锡二价离子的多极跃迁概率，来计算内层中锡二价离子的发射光谱，并与观测数据进行比较。

研究人员发现，他们的模型可以很好地拟合AT2017gfo超新星遗迹在第4天和第7天的发射光谱，特别是在可见光和近红外波段。他们发现，锡二价离子在超新星遗迹中有很强的贡献，特别是一些禁止跃迁，如E2和M1跃迁。他们估计，超新星遗迹中锡二价离子的质量约为0.01太阳质量，占总重元素质量的10%左右。他们还发现，超新星遗迹中锡二价离子的温度约为5000 K，而密度约为10-12 g/cm3。这些参数与之前的研究结果相一致。

他们的研究表明，锡二价离子是一种重要的光谱诊断工具，可以用来探测超新星遗迹中的重元素和物理条件。他们建议，在未来的观测中，应该更加关注锡二价离子的多极跃迁线，并使用更精确的原子数据来分析它们。他们认为，这样可以提高我们对超新星遗迹和重元素起源的理解和认识。