适用于具有任意元素丰度的电离天体等离子体的多离子非平衡求解器

虽然许多天体等离子体可以在假设电离和热平衡的情况下成功建模，但在某些情况下这并不合适，需要采用非平衡方法。在演化恒星周围的星云中，局部元素丰度在空间和时间上也可能发生强烈变化。在此，我们介绍一个为流体动力学代码 \textsc{pion} 开发的非平衡多离子模块，描述了其包含的物理过程并通过一些测试计算展示了其能力。我们开发了一个非平衡电离求解器，允许中性气体和电离（非分子）气体具有任意元素丰度，涵盖元素 H、He、C、N、O、Ne、Si、S 和 Fe。包含了碰撞电离与复合、光致电离和电荷交换反应，并基于每种元素的瞬时离子分数计算了逐离子非平衡辐射冷却。元素和离子质量分数通过被动标量进行平流，与微观物理过程进行算子分裂。该模块通过与文献中的平衡和非平衡计算进行比较得到了验证。讨论了冷却等离子体中电荷交换对离子丰度的影响。展示了在模拟激波和光致电离 H~\textsc{ii} 区方面的应用。研究了 Wolf-Rayet 星云的时间依赖性膨胀，包括光致电离和碰撞过程，并计算了非平衡和平衡等离子体状态下的谱线光度。多离子模块能够使用自洽的离子丰度和热演化来模拟具有空间变化元素丰度的电离等离子体。这使得即使在等离子体偏离电离平衡的情况下，也能预测紫外、光学、红外和 X 射线波段的谱线。