Utilizzando la potenza del National Ignition Facility (NIF), il sistema laser a più alta energia del mondo, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e un team internazionale di collaboratori hanno sviluppato una capacità sperimentale per misurare le proprietà di base della materia, come l'equazione di stato (EOS), alle pressioni più elevate finora raggiunte in un esperimento di laboratorio controllato.

I risultati sono rilevanti per le condizioni nei nuclei dei pianeti giganti, gli interni delle nane brune (stelle mancanti), gli involucri di carbonio delle stelle nane bianche e molti programmi di scienze applicate presso LLNL.

Gli studi sono stati pubblicati oggi in Natura .

Secondo gli autori, la sovrapposizione con gli involucri delle nane bianche è particolarmente significativa:questa nuova ricerca consente benchmark sperimentali delle proprietà di base della materia in questo regime. I risultati dovrebbero in definitiva portare a modelli migliorati di nane bianche, che rappresentano lo stadio finale dell'evoluzione per la maggior parte delle stelle nell'universo.

Dopo miliardi di anni, il sole e altre stelle di media e bassa massa subiranno una sequenza di espansioni e contrazioni che si tradurrà nella formazione di nane bianche, il destino delle stelle che hanno esaurito il loro combustibile nucleare e sono collassate in miscele super dense di carbonio e ossigeno.

Nel tentativo di risolvere i disaccordi nei modelli EOS a pressioni estreme che sono rilevanti per le stelle nane bianche e vari progetti di ricerca di laboratorio, gli scienziati hanno condotto i primi studi di laboratorio sulla materia alle condizioni nello strato di carbonio esterno di un'insolita classe di nane bianche chiamata "hot DQ".

La ricerca ha sottoposto campioni di idrocarburi solidi a pressioni che vanno da 100 a 450 megabar (da 100 a 450 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre) per determinare l'EOS, la relazione tra pressione e compressione, nello strato di convezione di un DQ caldo. Queste erano le pressioni più alte mai raggiunte nelle misurazioni EOS di laboratorio.

"Le nane bianche forniscono importanti test di modelli di fisica stellare, ma i modelli EOS in queste condizioni estreme sono in gran parte non testati, " ha detto il fisico LLNL Annie Kritcher, l'autore principale del documento.

"Il NIF può duplicare condizioni che vanno dai nuclei dei pianeti e delle nane brune a quelli al centro del sole, " ha aggiunto Kritcher. "Siamo anche in grado negli esperimenti NIF di dedurre l'opacità lungo l'urto Hugoniot (la curva di Hugoniot è un grafico dell'aumento della pressione e della densità di un materiale sotto forte compressione d'urto). Questa è una componente necessaria negli studi sulla struttura e l'evoluzione stellare".

Le DQ calde hanno atmosfere composte principalmente da carbonio, anziché da idrogeno ed elio come nella maggior parte delle nane bianche, e sono insolitamente calde e luminose. Alcuni pulsano anche mentre ruotano a causa di punti magnetici sulla loro superficie, fornendo variazioni osservabili di luminosità. L'analisi di queste variazioni "fornisce test rigorosi di modelli di nane bianche e un quadro dettagliato dell'esito delle ultime fasi dell'evoluzione stellare, " hanno detto i ricercatori.

Hanno aggiunto, però, che gli attuali modelli EOS relativi agli involucri delle nane bianche a pressioni di centinaia di milioni di atmosfere possono variare di quasi il 10%, "una significativa incertezza per i modelli di evoluzione stellare". I ricercatori precedenti hanno definito questo "l'anello più debole nella fisica costitutiva" che informa la modellazione della nana bianca, disse Kritcher.

La ricerca NIF potrebbe aiutare a risolvere le differenze fornendo i primi dati EOS che raggiungono condizioni profonde nella zona di convezione di un DQ caldo, la regione in cui i modelli mostrano la maggiore variabilità. I risultati degli esperimenti concordano con i modelli EOS che riconoscono la misura in cui pressioni estreme possono rimuovere gli elettroni del guscio interno dai loro atomi di carbonio, diminuendo l'opacità e aumentando la comprimibilità del plasma ionizzato risultante.

La ricerca EOS è una conseguenza del NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, o un miliardo di atmosfere) Campagna, " iniziata da Roger Falcone e dai suoi studenti e dottori di ricerca presso l'Università della California, Berkeley e altri utenti accademici NIF e scienziati all'inizio della carriera di LLNL. È stato sostenuto dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio LLNL, l'Ufficio del Presidente dell'Università della California, la National Nuclear Security Administration e il Department of Energy Office of Science.

"Il NIF Discovery Science Program ha consentito al nostro team eterogeneo di ricercatori, provenienti da università, laboratori nazionali e industria, per lavorare insieme in uno sforzo a lungo termine per comprendere in modo fondamentale il comportamento della materia sotto le pressioni e le temperature più estreme, "ha detto Falcone. "NIF è l'unica struttura al mondo in grado di creare e sondare quelle condizioni, e i suoi esperti team di supporto sono stati la chiave del nostro successo. Questo documento evidenzia la forza di tale collaborazione ed è la prova di come la ricerca di base possa trovare applicazioni in molti campi, compresa l'astrofisica."

Negli esperimenti EOS, I laser del NIF hanno emesso 1,1 milioni di joule di luce ultravioletta all'interno di un cilindro d'oro cavo delle dimensioni di una gomma da matita chiamato hohlraum, creando un "bagno" di raggi X uniforme con una temperatura di radiazione di picco di quasi 3,5 milioni di gradi. I raggi X sono stati assorbiti da una sfera di plastica solida montata al centro dell'hohlraum.

La plastica è stata riscaldata e ablata, o spazzato via come lo scarico di un razzo, dai raggi X, creando una pressione di ablazione che lanciava onde d'urto convergenti a 150-220 chilometri al secondo verso il centro della capsula bersaglio. Gli shock si sono uniti in un unico shock più forte che ha raggiunto pressioni che si avvicinavano a un miliardo di volte l'atmosfera terrestre.

I ricercatori hanno determinato l'Hugoniot, la densità e la pressione sul fronte d'urto, utilizzando una radiografia a raggi X striata risolta temporalmente e spazialmente. Gli studi hanno mostrato risultati coerenti per esperimenti condotti a temperature sia criogeniche che ambiente, che hanno prodotto diverse densità iniziali di partenza, e con diverse forme di impulso laser. Hanno anche misurato la temperatura degli elettroni del materiale sotto shock e il grado di ionizzazione con la diffusione di raggi X Thomson.

"Abbiamo misurato una riduzione dell'opacità alle alte pressioni, che è associato a una significativa ionizzazione del guscio interno in carbonio, "Kritcher ha detto. "Questo intervallo di pressione lungo l'Hugoniot corrisponde alle condizioni nell'involucro di carbonio delle stelle nane bianche. I nostri dati concordano con i modelli di equazione di stato che includono la dettagliata struttura del guscio elettronico".

Questi modelli "mostrano una curvatura più netta nell'Hugoniot e una compressione massima più elevata rispetto ai modelli privi di gusci elettronici, " lei disse, suggerendo un "ammorbidimento" della EOS. Ciò porta ad una maggiore compressione risultante da questa "ionizzazione a pressione".

I dati sperimentali possono contribuire a modelli migliori di stelle pulsanti DQ calde e a una determinazione più accurata delle loro strutture interne, proprietà di pulsazione, evoluzione spettrale e origine complessa, hanno concluso i ricercatori.