KAJIAN ASTROFISIKA DISTRIBUSI ENERGI ELEKTRON MAXWELLIAN PADA SPEKTRUM PLASMA SINAR X-RAY Abstrak Di dalam astrofisika, distribusi Maxwell Boltzmann menjadi subjek yang menarik di tata surya serta plasma astrofisika lainnya, misanya sisa-sisa supernova, nebula, planet, dan gugus galaksi. Distribusi tersebut dapat muncul pada saat plasma dipompa terus-menerus oleh input energi non termal. Pada metode dekomposisi Maxwell digunakan untuk mendapatkan garis dan spektrum kontinu yang difokuskan. Dalam kajian paper ini, garis akibat eksitasi tubrukan hanya dapat dihitung menggunakan metode dekomposisi Maxwellian, sedangkan garis dari rekombinasi dielektrik dapat diperoleh dengan perhitungan analitik atau dengan dekomposisi Maxwellian. Dengan menggunakan metode tersebut dan database atomik Atom DB, kami telah mengumpulkan pengembangan model umum untuk menghitung emisi dari plasma dengan distribusi κ. PENDAHULUAN Mekanika statistik disebut sebagai termodinamika statistik yang memungkinkan perhitungan sifat makroskopik dari sifat mikroskopis molekul dan interaksinya (Hernandez, 2017). Beberapa sifat mikroskopis misalnya terkait konfigurasi, gaya intramolekul, dan gaya antar molekul. Pada mekanika statistik berbeda dengan mekanika kuantum. Mekanika kuantum berfokus pada partikel dan keadaan elektron sedangkan mekanika statistik berkaitan dengan atom atau molekul (Smith et al., 2013). Struktur atom seperti tingkat energi dan probabilitas transisi radiasi atom, ion, dan penampang tumbukan untuk atom/ion dengan partikel bermuatan sangat penting untuk spektroskopi atom, optik, dan plasma (Kwon and chai, 2023) Sifat fisik dari plasma bertumbukan diturunkan dengan mengasumsikan bahwa bahwa elektron berada dalam kesetimbangan lokal dari distribusi Maxwell-Boltzmann. Pada umumnya skala waktu yang dibutuhkan elektron-elektron bertumbukan untuk menghasilkan distribusi Maxwell-Boltzmann lebih singkat daripada proses lainnya. Sehingga elektron bebas tersebut akan mendekati distribusi Maxwellian. Di dalam astrofisika, distribusi Maxwell Boltzmann menjadi subjek yang menarik di tata surya serta plasma astrofisika lainnya, misanya sisa- sisa supernova, nebula, planet, dan gugus galaksi. Distribusi tersebut dapat muncul pada saat plasma dipompa terus-menerus oleh input energi non termal. Diagnostik pada distribusi Maxwellian di korona matahari dicoba menggunakan garis ultraviolet ekstrim untuk suhu plasma dan kerapatan elektron (Mackovjak et al. 2013). Pada pengamatan spektrometer interferometer inframerah dapat mendeteksi diagnostik pemanasan partikel non termal pada pemanasan korona nano flares (Testa et al. 2014). Distribusi maxwellian dapat muncul baik secara alami maupun teori dengan cara medan gelombang menginduksi fluktuasi yang menyebabkan difusi non Coulomb dalam ruang kecepatan. Secara matematis dapat memodelkan hubungan antar partikel yang disebabkan adanya interaksi jarak jauh antara partikel dan formulasi spesifik dari distribusi Maxwellian. Kesetaraan antara suhu kinetik dan termodinamika menghasilkan suhu yang terdefinisi dengan baik Secara khusus, elektron-elektron termal bremsstrahlung terjadi ketika sebuah elektron bergerak melalui elektron lain. Percepatan gaya coulomb pada kedua elektron sama tetapi arahnya berbeda. Gelombang yang dipancarkan oleh satu elektron secara destruktif menyebabkan emisi bremsstrahlung sangat rendah. Hal tersebut dapat hitung dari integral kecepatan partikel rata-rata penampang distribusi Maxwellian. Pada metode dekomposisi Maxwell digunakan untuk mendapatkan garis dan spektrum kontinu yang difokuskan pada oksigen sebagai contohnya. Sehingga juga dapat menghitung emisi paru-paru bremsstrahlung dan dielektronik serta koefisien laju rekombinasi radiasi. METODOLOGI Penulisan paper dilakukan dengan menganalisis distribusi spectrum plasma dari beberapa penelitian. Skala waktu termalisasi untuk tumbukan elektron-elektron untuk menciptakan distribusi energi Maxwellian dalam plasma umumnya lebih pendek dibandingkan dengan proses lainnya (Summers et al. 2006). Jadi, biasanya elektron bebas mendekati distribusi Maxwell. Dalam penulisan literature review, langkah-langkah dalam mengkaji literatur dalam penelitian ini terdiri dari 5 tahap. Tahap pertama adalah mendefinisikan ruang lingkup topik yang akan direview. Topik yang akan di review pada artikel ini berkaitan dengan distribusi flux neutron dengan menggunakan pendekatan distribusi Maxwell-Boltzmann. Beberapa keyword yang digunakan oleh penulis memperoleh beberapa sumber literature, antara lain : X-Ray Spectra, Maxwellian Distribution Tahap kedua adalah mengidentifikasi sumber-sumber relevan. Beberapa sumber yang digunakan penulis adalah artikel prosiding dan jurnal penelitian penelitian yang masih relevan yang sudah banyak disitasi oleh jurnal 10 tahun terakhir . Setelah menemukan sumber-sumber yang relevan, tahap ketiga melakukan review terhadap literatur yang akan dikaji untuk mendalami landasan teori yang melandasi suatu penelitian, mengetahui metode penelitian terbaik yang dapat digunakan untuk menyimpulkan hipotesis, dan mempelajari kelebihan dan kekurangan penelitian terdahulu. Tahap keempat adalah menulis review. Di tahapan ini, penulis mengumpulkan basis data dari penelitian terdahulu. Data yang telah dikumpulkan, kemudian dianalisis dan disintesis untuk menyeleksi data yang terbukti kredibel. Dapat dilakukan dengan mengecek kebenaran data dengan mencocokan data pada sebuah karya tulis dengan karya tulis lainnya. Data yang terbukti kredibel dijadikan acuan untuk menulis artikel review Tahapan kelima adalah mengaplikasikan literatur pada studi yang akan dilakukan. Dalam mengorganisasi penulisan review, ketepatan informasi dan struktur penulisan perlu diperhatikan sehingga menjadi artikel review yang berkualitas. HASIL DAN PEMBAHASAN Spektrum yang dipancarkan sinar X plasma dapat dipisahkan menjadi garis dan emisi kontinum. Dalam kerangka kajian paper kami, garis akibat eksitasi tubrukan hanya dapat dihitung menggunakan metode dekomposisi Maxwellian, sedangkan garis dari rekombinasi dielektrik dapat diperoleh dengan perhitungan analitik atau dengan dekomposisi Maxwellian. Kami menemukan adanya tiga proses radiasi untuk emisi kontinum: bremsstrahlung termal (yaitu, emisi bebas-bebas), kontinum rekombinasi radiasi (RRC, yaitu, emisi terikat-bebas), dan radiasi dua foton (yaitu, emisi terikat-terikat). Emisi kontinum yang paling penting adalah bremsstrahlung termal untuk plasma termal tipis optik dalam kesetimbangan ionisasi tumbukan (Smith & Hughes 2010). Dalam paper ini disajikan perhitungan proses bremsstrahlung, RRC, DR, dan charge state distribution (CSD) dari koefisien laju tumbukan. 1. Bremsstrahlung Bremsstrahlung adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ketika partikel bermuatan dihentikan atau ketika mereka mengubah kecepatannya dengan cara lain. Radiasi ini juga disebut radiasi bebas-bebas (free-free radiation). terjadi ketika elektron yang tidak terikat bergerak melalui medan listrik inti atau elektron lain dan dipercepat oleh gaya Coulomb. Proses ini menghasilkan radiasi kontinum. Dalam astrofisika, komponen bercahaya yang dominan dalam klaster galaksi adalah medium intra-klaster (ICM) 107 ke 108 K. Emisi dari ICM ini dicirikan oleh Bremsstrahlung termal. Radiasi Termal Bremsstrahlung adalah ketika partikel yang menghuni plasma pemancar berada pada suhu yang seragam dan didistribusikan sesuai dengan distribusi Maxwell–Boltzmann, yaitu: 3 2 π −ππ2 π(π) = 4π ( ) π2 [ ] 2πππ 2ππ Dimana kecepatan (v), didefinisikan sebagai berikut. energi yang dipancarkan dipancarkan secara bebas ke Alam Semesta. Radiasi ini berada dalam rentang energi Sinar-X dan dapat dengan mudah diamati dengan teleskop berbasis ruang angkasa seperti Chandra X-Ray Observatory, XMMNewton, ROSAT, ASCA, EXOSAT, Astro-E2, dan misi masa depan seperti Con-X dan selanjutnya. Faktor Gaunt bebas-bebas adalah (Karzas & Latter 1961) 2√3 πππ = [(π2π + π2π + 2π2π π2π )π0 πππ ππ −2ππ ππ √(1 + π2π )(1 + π2π )π1 ]π0 π = √π2π + π2π + π2π Emisi massal dari gas ini adalah Bremsstrahlung termal. Daya yang dipancarkan per sentimeter kubik per detik dapat ditulis dalam bentuk ringkas: 1 πππ = 1,4 × 10−27 π2 ππ ππ π2 ππ dengan satuan cgs [erg ππ−3 π−1 ] dan di mana 'ff' adalah singkatan free-free atau bebas-bebas, 1,4π10−27 adalah bentuk ringkas dari konstanta fisik dan konstanta geometris yang terkait dengan pengintegrasian daya per satuan luas per satuan frekuensi, ππ dan ππ masing-masing adalah densitas elektron dan ion, Z adalah jumlah proton dari muatan lentur, ππ adalah faktor Gaunt ratarata frekuensi dan orde kesatuan, dan T adalah suhu sinar-x global yang ditentukan dari spektral frekuensi pemutusan di bawah ini tidak ada foton yang tercipta karena energi yang diberikan oleh percepatan elektron oleh inti bermuatan positif kurang dari energi minimum yang dibutuhkan untuk pembentukan foton. Proses ini juga dikenal sebagai pendinginan Bremsstrahlung karena plasma secara optik tipis terhadap foton pada energi ini dan 2. Radiative Recombination Continuum (RRC) Emisi rekombinasi radiasi, yaitu radiasi terikat bebas, dimana ketika elektron bertabrakan dan bergabung kembali dengan ion, memancarkan foton dalam proses tersebut. Energi foton ini akan sama dengan energi kinetik elektron ditambah energi ikat elektron yang baru direkombinasi. Karena kecilnya nilai energi kinetik elektron tidak memberikan pengaruh signifikan, ini membentuk spektrum kontinu dengan sudut lancip pada tingkat energi ikat. Gambar.1 Emisi rekombinasi model dari atmosfer cakram Berdasarkan hasil penelitian JimenezGarate et al. 2002 terhadap garis fluks pada x-ray plasma, dengan memodelkan bentuk cakram yang di fotoionisasi oleh sumber kontinum sinar-X pusat, rekombinasi radiasi kontinu (RRC) dapat digunakan untuk diagnosa suhu dan juga untuk menyelidiki perilaku atau operasi ketidakstabilan termal. Table 1 Line Fluxes for Disk Models Lebar RRC lokal ∝ π (Liedahl & Paerels, 1996). Pelebaran O VII RRC didominasi Doppler, menyerupai garis RR, baik untuk kasus penguapan maupun kondensasi (Tabel 1). Bentuk O VII RRC sangat bervariasi dari kondisi menguap hingga mengembun. Dalam kasus evaporasi, RRC O VII memiliki dua komponen suhu, satu dengan FWHM ~ 2 Å yang dihasilkan pada π~106 K dan komponen sempit lainnya dengan π~105 K. Kedua komponen tersebut dapat dibedakan karena suhu menengah atau intermediet tidak stabil secara termal. Dengan demikian, profil RRC dalam hal ini memberikan bukti adanya ketidakstabilan termal ini. Dalam kasus kondensasi, RRC memiliki satu komponen suhu yang luas pada π~106 K karena suhu atmosfer cakram tiba-tiba turun dari nilai terakhir ke nilai di mana emisi sinar-X dapat diabaikan. Perluasan dari RRC ini juga aneh atau tak lazim karena RRC biasanya sempit untuk semua gas yang terfotoionisasi, mengingat bahwa energi kinetik partikel gas umumnya jauh lebih kecil daripada energi foton rekombinasi (Liedahl & Paerels 1996) Daya yang dipancarkan per keV oleh proses ini atau emisivitas RRC monokromatik dari π+π untuk elektron termal adalah (Tucker & Gould 1966): ππ ππ = ππ ππ ππ ππ π(π)ππ (ππ )ππ = ππ ππ,π+1 ππ ππππ π π ππ ……..(1) di mana ππ adalah kerapatan elektron, ππ,π+1 adalah kerapatan ion (Z,j+1) (di mana Z adalah nomor atom ion, dan j+1 adalah keadaan ionisasi), Eγ adalah energi dari foton yang dipancarkan, ππππ (ππ ) adalah penampang rekombinasi ke π level n pada energi elektron ππ , ππ adalah kecepatan elektron dan π(π)ππ adalah jumlah elektron dengan kecepatan dalam rentang (π, π + ππ). Dalam kebanyakan kasus, π(π) adalah distribusi Maxwell-Boltzman, 3/2 π π(π)ππ = 4π (2πππ) ππ2 π2 πππ (− 2ππ) ππ ……...(2) Persamaan (1) dapat disederhanakan. Jika kita mendefinisikan ππ,π,π sebagai energi ikat elektron pada level n ion (π, π), dan menggunakan fakta bahwa ππ = 0,5 ππ π2π , kita dapatkan: πππ π ππ =π 1 π ππ ………(3) Dengan menggunakan hasil ini, dan mensubstitusikan persamaan Maxwell-Boltzmann untuk f(v), persamaan (1) dapat kita tulis ulang sebagai berikut: ππ ππ − ππ,π,π 1 = ππ ππ,π+1 4 ( )√ ππ ππ 2πππ ππ ππππ ( ππ π ππ − ππ,π,π ) ππ ππ ..……….(4) Persamaan (4) secara lengkap menjelaskan spektrum dari radiative recombination continuum (RRC). − ππ,π,π )πππ (− 3. Dielectronic Recombination (DR) Rekombinasi dielektronik telah ditemukan sebagai proses rekombinasi yang dominan dalam penentuan keseimbangan ionisasi selenium di dekat urutan mirip-Ne dalam kondisi yang relevan dengan plasma laser EUV foil-meledak (sitasi). Proses rekombinasi dielektronik cenderung mengisi tingkat tereksitasi, dan tingkat ini pada gilirannya lebih rentan terhadap eksitasi dan ionisasi berikutnya daripada ion keadaan dasar. Jika seseorang mendefinisikan laju rekombinasi efektif yang mencakup, selain rekombinasi primer, eksitasi dan ionisasi berikutnya dari populasi keadaan tereksitasi tambahan karena rekombinasi primer, maka laju rekombinasi efektif ini dapat sensitif terhadap kerapatan pada kerapatan elektron yang relatif rendah(sitasi). Rekombinasi dielektronik terjadi di mana elektron ditangkap oleh ion dan secara bersamaan membangkitkan energi inti. Keadaan elektron tereksitasi ganda tidak stabil dan ion dapat terionisasi secara otomatis (dalam hal ini tidak terjadi rekombinasi dielektronik) atau stabil secara radiatif, memancarkan garis satelit. Proses rekombinasi dielektronik terjadi hanya jika energi kinetik elektron rekombinasi sama dengan jumlah dua tingkat energi yang dipancarkan oleh elektron tereksitasi. Garis satelit rekombinasi dielektrik muncul di sisi panjang gelombang dari garis resonansi dan juga dapat dihasilkan oleh eksitasi langsung elektron kulit dalam untuk ion yang lebih berat atau dalam plasma pengion transien. Koefisien laju rekombinasi dielektrik total untuk plasma termal diberikan setelah dirata-ratakan pada Maxwellian distribusi energi elektron (misalnya, Bates & Dalgarno 1962; Dubau & Volonte 1980). Mengganti distribusi elektron Maxwellian dengan distribusi π yang ditunjukkan pada Persamaan (1), kita dapat memperoleh koefisien laju DR dalam satuan ππ3 π−1 sebagai berikut: πΌππ = ππππ π−3/2 ππ − (π→∞) π π ππ ππ ππ (1+(π−3/2) )−π−1 ,(π>3/2) ππ π { ................(1) 4πππ Dimana ππππ = ( ππ 3/2 ) π0 3 ππ, π0 adalah radius Bohr dalam cm dan ππ adalah probabilitas penangkapan dalam π−1 . Perhitungan untuk intensitas garis satelit dalam distribusi maxwellian, intensitas garis rekombinasi dielektrik ππ (π, π → π) = ππππ π−3/2 ππ (π→∞) π π ππ ππ ππ (1+ )−π−1 ,(π>3/2) (π−3/2) ππ π − { ................(1) Dimana πππ = 6.60 × π 3/2 10−24 πβ ππ3 π1 (ππ ) π ππ π1 ππ dan π1 intensitas ion induk. 4. Charge State Distribution/ Distribusi Keadaan Muatan (CSD) Dalam keadaan plasma CIE (collisional ionization equilibrium), kelimpahan ion relatif ditentukan oleh keseimbangan antara ionisasi tumbukan elektron dan laju rekombinasi elektronion dari setiap keadaan muatan. Charge State Distribution / Distribusi keadaan muatan (CSD) ditentukan oleh keseimbangan electron-impact ionization (EII) dengan rekombinasi. Keadaan plasma ini biasanya disebut kesetimbangan ionisasi tumbukan (CIE). Pendekatan alternatif untuk mendapatkan data atom untuk distribusi, adalah dengan mengaproksimasi fungsi distribusi itu sendiri sebagai jumlah dari Maxwellian. Metode ini disebut sebagai metode dekomposisi Maxwellian. Metode ini telah digunakan sejak terdahulu. Misalnya, Ko et al. (1996) memperkirakan distribusi kappa menggunakan sejumlah Maxwellian untuk memodelkan CSD pada wind solar. Kaastra et al. (2009) juga memperkirakan distribusi guncangan di gugus galaksi menggunakan jumlah Maxwellian. Fungsi distribusi dapat dinyatakan dengan jumlah distribusi Maxwellian, maka koefisien laju untuk distribusi non-termal hanyalah jumlah koefisien laju Maxwellian. Misalkan fungsi distribusi arbitrer g(E) dinyatakan dengan: π(π) = ∑π ππ π(π; ππ )……………….(11) Dimana π (π; ππ ) adalah fungsi maxwellan pada saat temperatur ππ dan ππ adalah pada jumlah Maxwellians. Semua koefisien laju ionisasi dan rekombinasi yang dibutuhkan bergantung pada Electron Energy Distribution (EED). Di sini dan sepanjang kita menganggap fungsi distribusi menjadi isotropik. Untuk setiap proses dinyatakan fungsi kecepatan σ(v) atau energi σ(E) koefisien laju α dinyatakan : πΌ=∫ ∫ π(π) π(π) ππ = 2π π(π)√ π π(π) ππ…………..(12) Dari persamaan (11) dan persamaan (12) maka dapat diperoleh laju reaksi untuk g(E) adalah … πΌπ = ∑ ππ π(ππ ) π Dimana πΌ(ππ ) adalah laju koefisien maxwellian pada saat temperatur ππ . Dengan catatan ππ tidak harus positif. π(π) = ∑ ππ π (π; ππ ) π KESIMPULAN Berdasarkan database dari Atom DB, bahwa spektrum sinar-X dengan distribusi elektron nontermal dalam plasma terionisasi secara tumbukan. Untuk dekomposisi Maxwellian diterapkan untuk menghitung laju koefisien yang sesuai yang disimpan pada basis data AtomDB. Karena plasma yang sangat panas ditambahkan pada proses Bremsstrahlung maka akan menghasilkan elektron energi juga. Ketika pada proses pendekomposisian laju Maxwellian juga harus hatihati pada saat suhu plasma mendekati batas suhu. REFERENSI Bates D. R., Dalgarno A., 1962, in Bates D. R., ed., Pure and Applied Physics. Atomic and Molecular Processes, chapter Electronic Recombination, Vol. 13. Academic Press, New York and London, p. 245 Hahn, M., & Savin, D. W. (2015). A simple method for modeling collision processes in plasmas with a kappa energy distribution. The Astrophysical Journal, 809(2), 178. Hernandez, H. (2017) ‘Standard MaxwellBoltzmann distribution: Definition and Properties’, ForsChem Research Reports, (2), p. 16. Available at: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29888.742 44. Jimenez-Garate, M. A., Raymond, J. C., & Liedahl, D. A. (2002). The structure and Xray recombination emission of a centrally illuminated accretion disk atmosphere and corona. The Astrophysical Journal, 581(2), 1297. Kaastra, J. S., Bykov, A. M., & Werner, N. (2009). Non-Maxwellian electron distributions in clusters of galaxies. Astronomy & Astrophysics, 503(2), 373-378. Karzas, W. J., & Latter, R. (1961). Electron Radiative Transitions in a Coulomb Field. Astrophysical Journal Supplement, vol. 6, p. 167, 6, 167. Ko, Y. -K., Fisk, L. A., Gloeckler, G., and Geiss, J.: 1996, Geophys. Res. Let. 20, 2785 Kwon, D. H., & Chai, K. B. (2023). Research on atomic structure and collision crosssections for spectroscopic modeling in KAERI Atomic Data Center. Journal of the Korean Physical Society, 82(9), 841-850. Liedahl, D. A., & Paerels, F. 1996, in preparation Mackovjak, Š., DzifΔáková, E., & Dudík, J. (2013). On the possibility to diagnose the Non-Maxwellian κ-distributions from the Hinode/EIS EUV spectra. Solar Physics, 282, 263-281. Pontieu, B. D., Title, A., & Carlsson, M. (2014). Probing the solar interface region. Science, 346(6207), 315-315. Smith, R. (2008). Calculating Radiative Recombination Continuum From a Hot Plasma. [online] atomdb.org. Available at: http://atomdb.org/Physics/rrc.pdf [Accessed 28 Mei 2023]. Smith, R. K., & Hughes, J. P. (2010). Ionization equilibrium timescales in collisional plasmas. The Astrophysical Journal, 718(1), 583. Smith, R., Inomata, H., & Peters, C. (2013). Introduction to supercritical fluids: a spreadsheet-based approach. Newnes. Summers, H. P., Dickson, W. J., O'mullane, M. G., Badnell, N. R., Whiteford, A. D., Brooks, D. H., ... & Griffin, D. C. (2006). Ionization state, excited populations and emission of impurities in dynamic finite density plasmas: I. The generalized collisional– radiative model for light elements. Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(2), 263. Tucker, W. H., & Gould, R. J. (1966). Radiation from a Low-Density Plasma at 106-108 K. Astrophysical Journal, vol. 144, p. 244, 144, 244.