La mayoría de las estrellas se convierten en enanas blancas cuando llegan al final de su ciclo de vida estelar. Los astrofísicos determinan qué elementos están presentes en estas estrellas colapsadas comparando los espectros observados desde el espacio con espectros recreados experimentalmente medidos en laboratorios en la Tierra o espectros teóricos generados utilizando modelos informáticos basados ​​en principios químicos cuánticos. Tiempo extraordinario, han descubierto que las enanas blancas no solo contienen elementos como hidrógeno y helio, pero también oxígeno, silicio, fosforoso, carbono y compuestos que contienen carbono.

Aproximadamente del 10 al 20 por ciento de estas enanas blancas exhiben fuertes campos magnéticos.

"La fuerza del campo magnético en algunas enanas blancas puede alcanzar hasta 100, 000 Tesla, "dijo Stella Stopkowicz, investigador de química teórica en el Instituto de Química Física de la Universidad de Mainz en Alemania.

En comparación, en la tierra, los campos magnéticos más fuertes que se pueden generar usando imanes no destructivos son de aproximadamente 100 tesla. Por lo tanto, estudiar la química en condiciones tan extremas solo es posible usando la teoría y hasta ahora no ha proporcionado mucha información sobre los espectros que acompañan a estas enanas blancas. Stopkowicz y su colega, Florian Hampe, describir su trabajo modelando estos sistemas esta semana en La Revista de Física Química , de AIP Publishing.

"Con estas considerables intensidades de campo, Las fuerzas magnéticas y de Coulombic en el átomo o la molécula se vuelven igualmente importantes, "Dijo Stopkowicz." Los campos magnéticos alteran radicalmente la estructura electrónica de los átomos y moléculas de tal manera que su química bajo estas condiciones es hasta el día de hoy en gran parte desconocida. Esto hace que la interpretación de los espectros de observación sea un desafío, ya que se ven muy diferentes de los obtenidos en condiciones similares a las de la Tierra. Explorar este problema se convirtió en un foco importante de nuestra investigación ".

"El primer enfoque teórico muy preciso para examinar el efecto de un campo magnético fuerte en la estructura electrónica de átomos y moléculas fue el método 'Configuración-Interacción Completa' (FCI) (también conocido como diagonalización exacta). Desafortunadamente, esta metodología solo es aplicable para sistemas con muy pocos electrones como el hidrógeno, helio, litio y berilio, "Stopkowicz dijo." El FCI es computacionalmente demasiado caro para examinar átomos más grandes como el oxígeno y moléculas como los hidrocarburos pequeños y sus iones correspondientes como el CH + ".

Stopkowicz y sus colegas, por lo tanto, se han concentrado en diferentes metodologías que son más ampliamente aplicables, sin dejar de conservar la precisión deseada para tratar con átomos y moléculas en presencia de fuertes campos magnéticos.

"Sobre la base del trabajo anterior que hemos realizado sobre el terreno, Hemos adaptado el método 'Ecuación de movimiento acoplado-clúster (EOM-CC)' que se puede utilizar para acceder a los estados excitados electrónicamente de átomos y moléculas para hacer frente a campos magnéticos fuertes, "Dijo Stopkowicz. Luego desarrollamos un programa de computadora que incorporó este método para ayudarnos a calcular las energías de excitación; este fue un paso importante hacia la predicción de espectros".

"En la siguiente etapa, implementaremos momentos dipolares de transición que permitirán calcular espectros teóricos para átomos en campos fuertes, "Dijo Stopkowicz." Los astrofísicos pueden comparar estos espectros teóricos con los observacionales e interpretar qué tipos de átomos y moléculas podrían estar presentes en las enanas blancas magnéticas ".

El trabajo también es beneficioso para otros dos campos de investigación.

Primero, promueve la comprensión de los cambios químicos en átomos y moléculas en condiciones extremas donde las fuerzas magnéticas contrarrestan las fuerzas de Coulombic. Esta es un área importante de la investigación química fundamental donde, por ejemplo, Se encuentran nuevos fenómenos como el "Enlace paramagnético perpendicular", un nuevo tipo de enlace químico que no ocurre en la Tierra.

Segundo, los datos precisos obtenidos mediante esta metodología pueden ayudar en el desarrollo de mejores funcionales para el cálculo de propiedades magnéticas en la teoría funcional de la densidad, un método ampliamente utilizado en química computacional.

"Nuestro mayor desafío es el hecho de que estamos examinando algo que antes no se había explorado. Esto es también lo que hace que este trabajo sea tan interesante, "Dijo Stopkowicz." Los resultados de los cálculos son a menudo sorprendentes y no necesariamente intuitivos. Siempre que obtenemos algo nuevo, tenemos que darle sentido ".

Avanzando, Stopkowicz y sus colegas continuarán su trabajo sobre los componentes clave necesarios para generar espectros teóricos para átomos y moléculas en campos fuertes.

"Aún queda mucho trabajo por hacer, "Stopkowicz dijo, "pero nuestra visión es contribuir al esfuerzo científico más amplio para develar la composición y la química de las enanas blancas magnéticas".