Usando el poder de la Instalación Nacional de Ignición (NIF), el sistema láser de mayor energía del mundo, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y un equipo internacional de colaboradores han desarrollado una capacidad experimental para medir las propiedades básicas de la materia, como la ecuación de estado (EOS), a las presiones más altas alcanzadas hasta ahora en un experimento de laboratorio controlado.

Los resultados son relevantes para las condiciones en los núcleos de los planetas gigantes, los interiores de las enanas marrones (estrellas fallidas), las envolturas de carbono de las estrellas enanas blancas y muchos programas de ciencias aplicadas en LLNL.

Los estudios fueron publicados hoy en Naturaleza .

Según los autores, la superposición con las envolturas enanas blancas es particularmente significativa:esta nueva investigación permite puntos de referencia experimentales de las propiedades básicas de la materia en este régimen. En última instancia, los resultados deberían conducir a modelos mejorados de enanas blancas, que representan la etapa final de la evolución de la mayoría de las estrellas del universo.

Después de miles de millones de años, el sol y otras estrellas de masa media y baja sufrirán una secuencia de expansiones y contracciones que dará como resultado la formación de enanas blancas, el destino de las estrellas que han agotado su combustible nuclear y colapsado en caliente, mezclas superdensas de carbono y oxígeno.

En un esfuerzo por resolver los desacuerdos en los modelos EOS a presiones extremas que son relevantes para las estrellas enanas blancas y varios proyectos de investigación de laboratorio, Los científicos llevaron a cabo los primeros estudios de laboratorio de la materia en las condiciones de la capa exterior de carbono de una clase inusual de enana blanca llamada "DQ caliente".

La investigación sometió muestras de hidrocarburos sólidos a presiones que iban de 100 a 450 megabars (100 a 450 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra) para determinar el EOS, la relación entre presión y compresión, en la capa de convección de un DQ caliente. Estas fueron las presiones más altas jamás alcanzadas en las mediciones de EOS de laboratorio.

"Las estrellas enanas blancas proporcionan pruebas importantes de modelos de física estelar, pero los modelos EOS en estas condiciones extremas están en gran parte sin probar, "dijo la física de LLNL Annie Kritcher, el autor principal del artículo.

"NIF puede duplicar condiciones que van desde los núcleos de los planetas y las enanas marrones hasta los del centro del sol, "Agregó Kritcher." También podemos en experimentos NIF deducir la opacidad a lo largo del Hugoniot de choque (la curva de Hugoniot es un gráfico del aumento en la presión y densidad de un material bajo una fuerte compresión de choque). Este es un componente necesario en los estudios de la estructura estelar y la evolución ".

Las DQ calientes tienen atmósferas compuestas principalmente de carbono, en lugar de hidrógeno y helio como en la mayoría de las enanas blancas, y son inusualmente calientes y brillantes. Algunos también pulsan mientras giran debido a puntos magnéticos en su superficie, proporcionando variaciones observables de brillo. El análisis de estas variaciones "proporciona pruebas rigurosas de modelos de enanas blancas y una imagen detallada del resultado de las últimas etapas de la evolución estelar, ", dijeron los investigadores.

Ellos agregaron, sin embargo, que los modelos actuales de EOS relevantes para las envolventes de enanas blancas a presiones de cientos de millones de atmósferas pueden variar en casi un 10 por ciento, "una incertidumbre significativa para los modelos de evolución estelar". Investigadores anteriores han llamado a esto el "eslabón más débil de la física constitutiva" que informa el modelado de las enanas blancas, Dijo Kritcher.

La investigación del NIF podría ayudar a resolver las diferencias al proporcionar los primeros datos de EOS que alcanzan condiciones profundas en la zona de convección de un DQ caliente, la región donde los modelos muestran la mayor variabilidad. Los resultados de los experimentos concuerdan con los modelos EOS que reconocen hasta qué punto las presiones extremas pueden eliminar los electrones de la capa interna de sus átomos de carbono. disminuyendo la opacidad y aumentando la compresibilidad del plasma ionizado resultante.

La investigación de EOS es una consecuencia del NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, o mil millones de atmósferas) Campaña, "iniciado por Roger Falcone y sus estudiantes y posdoctorados en la Universidad de California, Berkeley y otros usuarios académicos de NIF y científicos de carrera temprana de LLNL. Fue apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio LLNL, la Oficina del Presidente de la Universidad de California, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.

"El Programa NIF Discovery Science permitió a nuestro diverso equipo de investigadores, desde universidades, laboratorios e industrias nacionales:trabajar juntos en un esfuerzo a largo plazo para comprender fundamentalmente el comportamiento de la materia bajo las presiones y temperaturas más extremas, ", Dijo Falcone." NIF es la única instalación en el mundo capaz de crear y sondear esas condiciones, y sus equipos de soporte de expertos fueron clave para nuestro éxito. Este artículo destaca la fuerza de esa colaboración y es una evidencia de cómo la investigación básica puede encontrar aplicaciones en muchos campos. incluida la astrofísica ".

En los experimentos de EOS, Los láseres de NIF entregaron 1,1 millones de julios de luz ultravioleta al interior de un cilindro de oro hueco del tamaño de un borrador de lápiz llamado hohlraum. creando un "baño" uniforme de rayos X con una temperatura máxima de radiación de casi 3,5 millones de grados. Los rayos X fueron absorbidos por una esfera de plástico sólido montada en el centro del hohlraum.

El plástico se calentó y se eliminó, o volado como el escape de un cohete, por los rayos X, creando una presión de ablación que lanzaba ondas de choque convergentes de 150 a 220 kilómetros por segundo hacia el centro de la cápsula objetivo. Los choques se fusionaron en un solo choque más fuerte que alcanzó presiones que se acercan a mil millones de veces la atmósfera de la Tierra.

Los investigadores determinaron el Hugoniot, la densidad y la presión en el frente de choque, utilizando radiografías de rayos X rayadas resueltas temporal y espacialmente. Los estudios mostraron resultados consistentes para experimentos realizados tanto a temperaturas criogénicas como ambientales, que produjeron diferentes densidades de partida iniciales, y con diferentes formas de pulso láser. También midieron la temperatura de los electrones y el grado de ionización del material chocado a granel con dispersión de rayos X de Thomson.

"Medimos una reducción de la opacidad a altas presiones, que está asociado con una ionización significativa de la capa interna de carbono, ", Dijo Kritcher." Este rango de presión a lo largo del Hugoniot corresponde a las condiciones en la envoltura de carbono de las estrellas enanas blancas. Nuestros datos concuerdan con los modelos de ecuaciones de estado que incluyen la estructura de capa electrónica detallada ".

Esos modelos "muestran una curva más pronunciada en el Hugoniot y una compresión máxima más alta que los modelos que carecen de carcasas electrónicas, " ella dijo, sugiriendo un "ablandamiento" de la EOS. Esto conduce a una mayor compresión resultante de esta "ionización por presión".

Los datos experimentales pueden contribuir a mejorar los modelos de estrellas DQ calientes pulsantes y a una determinación más precisa de sus estructuras internas. propiedades de pulsación, evolución espectral y origen complejo, concluyeron los investigadores.