A maioria das estrelas se torna anãs brancas quando atinge o final de seu ciclo de vida estelar. Os astrofísicos determinam quais elementos estão presentes nessas estrelas colapsadas comparando espectros observados do espaço com espectros recriados experimentalmente medidos em laboratórios na Terra ou espectros teóricos gerados usando modelos de computador baseados em princípios da química quântica. Hora extra, eles descobriram que as anãs brancas não contêm apenas elementos como hidrogênio e hélio, mas também oxigênio, silício, fósforo, carbono e compostos contendo carbono.

Aproximadamente 10 a 20 por cento dessas anãs brancas exibem fortes campos magnéticos.

"A força do campo magnético em algumas anãs brancas pode chegar a até 100, 000 Tesla, "disse Stella Stopkowicz, pesquisador de química teórica no Instituto de Físico-Química da Universidade de Mainz, na Alemanha.

Em comparação, na terra, os campos magnéticos mais fortes que podem ser gerados usando ímãs não destrutivos são cerca de 100 tesla. Portanto, estudar a química em tais condições extremas só é possível usando a teoria e até agora não forneceu muitos insights para os espectros que acompanham essas anãs brancas. Stopkowicz e seu colega, Florian Hampe, descrever seu trabalho de modelagem desses sistemas esta semana em The Journal of Chemical Physics , da AIP Publishing.

"Com essas consideráveis ​​intensidades de campo, as forças magnéticas e coulômbicas no átomo ou molécula tornam-se igualmente importantes, "Stopkowicz disse." Os campos magnéticos alteram radicalmente a estrutura eletrônica dos átomos e moléculas de tal forma que sua química sob essas condições é até hoje praticamente desconhecida. Isso torna a interpretação dos espectros observacionais um desafio, pois eles parecem muito diferentes daqueles obtidos em condições semelhantes às da Terra. Explorar este problema tornou-se um foco importante para nossa pesquisa. "

"A primeira abordagem teórica muito precisa para examinar o efeito de um campo magnético forte na estrutura eletrônica de átomos e moléculas foi o método 'Full Configuration-Interaction' (FCI) (também conhecido como diagonalização exata). Infelizmente, esta metodologia é aplicável apenas para sistemas com muito poucos elétrons, como hidrogênio, hélio, lítio e berílio, "O FCI é computacionalmente caro demais para examinar átomos maiores, como oxigênio e moléculas, como pequenos hidrocarbonetos, e seus íons correspondentes como CH +", disse Stopkowicz.

Stopkowicz e seus colegas, portanto, se concentraram em diferentes metodologias que são mais amplamente aplicáveis, ao mesmo tempo em que mantém a precisão desejada para lidar com átomos e moléculas na presença de campos magnéticos fortes.

"Com base no trabalho anterior que fizemos no campo, adaptamos o 'método Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)' que pode ser usado para acessar os estados eletronicamente excitados de átomos e moléculas para lidar com campos magnéticos fortes, "Stopkowicz disse. Em seguida, desenvolvemos um programa de computador que incorporou esse método para nos auxiliar no cálculo das energias de excitação; este foi um passo importante para a previsão dos espectros."

"Na próxima etapa, implementaremos momentos de dipolo de transição que possibilitarão o cálculo de espectros teóricos para átomos em campos fortes, "Stopkowicz disse." Os astrofísicos podem comparar esses espectros teóricos aos observacionais e interpretar que tipos de átomos e moléculas podem estar presentes nas anãs brancas magnéticas. "

O trabalho também beneficia duas outras áreas de pesquisa.

Primeiro, promove a compreensão das mudanças químicas em átomos e moléculas sob condições extremas onde as forças magnéticas contrabalançam as forças coulombicas. Esta é uma área importante da pesquisa química fundamental, onde, por exemplo, novos fenômenos são encontrados, como "Ligação Paramagnética Perpendicular" - um novo tipo de ligação química que não ocorre na Terra.

Segundo, os dados precisos obtidos com esta metodologia podem ajudar no desenvolvimento de melhores funcionais para o cálculo de propriedades magnéticas na teoria do funcional de densidade, um método amplamente utilizado em química computacional.

“Nosso maior desafio é o fato de estarmos examinando algo até então inexplorado. É também isso que torna este trabalho tão interessante, "Stopkowicz disse." Os resultados dos cálculos são muitas vezes surpreendentes e não necessariamente intuitivos. Sempre que obtemos algo novo, temos que dar sentido a isso. "

Daqui para frente, Stopkowicz e seus colegas continuarão seu trabalho nos componentes-chave necessários para gerar espectros teóricos para átomos e moléculas em campos fortes.

“Ainda há muito trabalho a fazer, "Stopkowicz disse, "mas nossa visão é contribuir para o esforço científico maior para desvendar a composição e química das anãs brancas magnéticas."