p Usando o poder da National Ignition Facility (NIF), o sistema de laser de maior energia do mundo, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e uma equipe internacional de colaboradores desenvolveram uma capacidade experimental para medir as propriedades básicas da matéria, como a equação de estado (EOS), nas pressões mais altas até agora alcançadas em um experimento de laboratório controlado. p Os resultados são relevantes para as condições nos núcleos de planetas gigantes, o interior das anãs marrons (estrelas falidas), os envelopes de carbono das estrelas anãs brancas e muitos programas de ciências aplicadas no LLNL.

p Os estudos foram publicados hoje em Natureza .

p De acordo com os autores, a sobreposição com os envelopes das anãs brancas é particularmente significativa - esta nova pesquisa permite benchmarks experimentais das propriedades básicas da matéria neste regime. Os resultados devem levar a melhores modelos de anãs brancas, que representam o estágio final de evolução para a maioria das estrelas do universo.

p Depois de bilhões de anos, o sol e outras estrelas de média e baixa massa passarão por uma sequência de expansões e contrações que resultam na formação de anãs brancas - o destino de estrelas que esgotaram seu combustível nuclear e colapsaram em calor, misturas superdensas de carbono e oxigênio.

p Em um esforço para resolver divergências em modelos EOS em pressões extremas que são relevantes para estrelas anãs brancas e vários projetos de pesquisa de laboratório, os cientistas conduziram os primeiros estudos de laboratório da matéria nas condições da camada externa de carbono de uma classe incomum de anãs brancas chamada de "DQ quente".

p A pesquisa submeteu amostras de hidrocarbonetos sólidos a pressões que variam de 100 a 450 megabares (100 a 450 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra) para determinar a EOS - a relação entre pressão e compressão - na camada de convecção de um DQ quente. Essas foram as pressões mais altas já alcançadas em medições EOS de laboratório.

p "Estrelas anãs brancas fornecem testes importantes de modelos de física estelar, mas os modelos EOS nessas condições extremas não foram testados em grande parte, "disse a física do LLNL Annie Kritcher, o autor principal do artigo.

p "O NIF pode duplicar condições que vão desde os núcleos dos planetas e anãs marrons até aqueles no centro do sol, "Kritcher acrescentou." Também somos capazes em experimentos NIF de deduzir a opacidade ao longo do Hugoniot de choque (a curva de Hugoniot é um gráfico do aumento na pressão e densidade de um material sob forte compressão de choque). Este é um componente necessário nos estudos de estrutura e evolução estelar. "

p As DQs quentes têm atmosferas compostas principalmente de carbono - em vez de hidrogênio e hélio como na maioria das anãs brancas - e são excepcionalmente quentes e brilhantes. Alguns também pulsam conforme giram por causa de pontos magnéticos em sua superfície, fornecendo variações observáveis ​​no brilho. Analisar essas variações "fornece testes rigorosos de modelos de anãs brancas e uma imagem detalhada do resultado dos estágios finais da evolução estelar, "disseram os pesquisadores.

p Eles adicionaram, Contudo, que os modelos EOS atuais relevantes para envelopes de anãs brancas em pressões da ordem de centenas de milhões de atmosferas podem variar em quase 10 por cento, "uma incerteza significativa para modelos de evolução estelar." Pesquisadores anteriores chamaram isso de "o elo mais fraco na física constitutiva" que informa a modelagem de anãs brancas, Disse Kritcher.

p A pesquisa do NIF pode ajudar a resolver as diferenças, fornecendo os primeiros dados EOS que alcançam condições profundas na zona de convecção de um DQ quente - a região onde os modelos mostram a maior variabilidade. Os resultados dos experimentos concordam com os modelos EOS que reconhecem até que ponto as pressões extremas podem retirar os elétrons da camada interna de seus átomos de carbono, diminuindo a opacidade e aumentando a compressibilidade do plasma ionizado resultante.

p A pesquisa EOS é uma conseqüência do NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, ou um bilhão de atmosferas) Campanha, "iniciado por Roger Falcone e seus alunos e pós-doutorandos na Universidade da Califórnia, Berkeley e outros usuários acadêmicos do NIF e cientistas em início de carreira do LLNL. Foi apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido do Laboratório LLNL, o Gabinete do Presidente da Universidade da Califórnia, a Administração de Segurança Nuclear Nacional e o Escritório de Ciência do Departamento de Energia.

p "O Programa NIF Discovery Science capacitou nossa equipe diversificada de pesquisadores - de universidades, laboratórios nacionais e indústria - para trabalhar juntos em um esforço de longo prazo para compreender fundamentalmente o comportamento da matéria sob as pressões e temperaturas mais extremas, "Falcone disse." O NIF é a única instalação no mundo capaz de criar e sondar essas condições, e suas equipes de suporte especializadas foram a chave para nosso sucesso. Este artigo destaca a força dessa colaboração e é uma evidência de como a pesquisa básica pode encontrar aplicações em muitos campos, incluindo astrofísica. "

p Nos experimentos EOS, Os lasers do NIF liberaram 1,1 milhão de joules de luz ultravioleta para o interior de um cilindro oco de ouro do tamanho de uma borracha chamado hohlraum, criando um "banho" uniforme de raios-X com uma temperatura de radiação de pico de quase 3,5 milhões de graus. Os raios X foram absorvidos por uma esfera de plástico sólido montada no centro do hohlraum.

p O plástico foi aquecido e removido, ou explodido como um escapamento de foguete, pelos raios X, criando pressão de ablação que lançou ondas de choque convergentes a 150 a 220 quilômetros por segundo em direção ao centro da cápsula alvo. Os choques se fundiram em um único choque mais forte que atingiu pressões próximas a um bilhão de vezes a da atmosfera da Terra.

p Os pesquisadores determinaram o Hugoniot - a densidade e a pressão na frente do choque - usando radiografia de raios-X listrada temporal e espacialmente resolvida. Os estudos mostraram resultados consistentes para experimentos em campo em temperatura criogênica e ambiente - que produziram diferentes densidades iniciais de partida - e com diferentes formas de pulso de laser. Eles também mediram a temperatura do elétron do material em choque e o grau de ionização com espalhamento Thomson de raios-X.

p "Medimos uma redução na opacidade em altas pressões, que está associada a uma ionização significativa da camada interna de carbono, "Kritcher disse." Esta faixa de pressão ao longo do Hugoniot corresponde às condições no envelope de carbono das estrelas anãs brancas. Nossos dados estão de acordo com os modelos de equação de estado que incluem a estrutura de shell eletrônica detalhada. "

p Esses modelos "mostram uma curva mais nítida no Hugoniot e uma compressão máxima mais alta do que os modelos que não possuem cápsulas eletrônicas, " ela disse, sugerindo um "amolecimento" do EOS. Isso leva a um aumento da compressão resultante dessa "ionização por pressão".

p Os dados experimentais podem contribuir para melhores modelos de estrelas DQ quentes pulsantes e uma determinação mais precisa de suas estruturas internas, propriedades de pulsação, evolução espectral e origem complexa, concluíram os pesquisadores.