La maggior parte delle stelle diventa nane bianche quando raggiungono la fine del loro ciclo di vita stellare. Gli astrofisici determinano quali elementi sono presenti in queste stelle collassate confrontando gli spettri osservati dallo spazio con gli spettri ricreati sperimentalmente misurati nei laboratori sulla Terra o con gli spettri teorici generati utilizzando modelli informatici basati su principi quanto-chimici. Col tempo, hanno scoperto che le nane bianche non contengono solo elementi come idrogeno ed elio, ma anche ossigeno, silicio, fosforo, carbonio e composti contenenti carbonio.

Circa il 10-20% di queste nane bianche mostra forti campi magnetici.

"La forza del campo magnetico in alcune nane bianche può raggiungere fino a 100, 000 Tesla, " ha detto Stella Stopkowicz, ricercatore di chimica teorica presso l'Istituto di chimica fisica dell'Università di Mainz in Germania.

In confronto, sulla terra, i campi magnetici più forti che possono essere generati utilizzando magneti non distruttivi sono circa 100 tesla. Perciò, studiare la chimica in condizioni così estreme è possibile solo usando la teoria e fino ad ora non ha fornito molte informazioni sugli spettri che accompagnano queste nane bianche. Stopkowicz e il suo collega, Florian Hampe, descrivere il loro lavoro di modellazione di questi sistemi questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing.

"A queste considerevoli forze di campo, le forze magnetiche e coulombiane nell'atomo o nella molecola diventano ugualmente importanti, " Stopkowicz ha detto. "I campi magnetici alterano radicalmente la struttura elettronica di atomi e molecole in modo tale che la loro chimica in queste condizioni è ancora oggi per lo più sconosciuta. Ciò rende difficile l'interpretazione degli spettri osservativi in ​​quanto sembrano molto diversi da quelli ottenuti in condizioni simili alla Terra. L'esplorazione di questo problema è diventata un obiettivo importante per la nostra ricerca".

"Il primo approccio teorico molto accurato per esaminare l'effetto di un forte campo magnetico sulla struttura elettronica di atomi e molecole è stato il metodo 'Full Configuration-Interaction' (FCI) (noto anche come diagonalizzazione esatta). Sfortunatamente, questa metodologia è applicabile solo per sistemi con pochissimi elettroni come l'idrogeno, elio, litio e berillio, "Stopkowicz ha detto. "FCI è computazionalmente troppo costoso per esaminare atomi più grandi come l'ossigeno e molecole come piccoli idrocarburi e i loro ioni corrispondenti come CH +".

Stopkowicz e i suoi colleghi si sono quindi concentrati su diverse metodologie che sono più ampiamente applicabili, pur mantenendo la precisione desiderata per trattare atomi e molecole in presenza di forti campi magnetici.

"Sulla base del lavoro precedente che abbiamo svolto sul campo, abbiamo adattato il metodo "Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)" che può essere utilizzato per accedere agli stati elettronicamente eccitati di atomi e molecole per affrontare forti campi magnetici, "Stopkowicz ha detto. Abbiamo quindi sviluppato un programma per computer che incorporava questo metodo per aiutarci a calcolare le energie di eccitazione; questo è stato un passo importante verso la previsione degli spettri".

"Nella fase successiva, implementeremo momenti di dipolo di transizione che renderanno possibile calcolare spettri teorici per atomi in campi forti, "Stopkowicz ha detto. "Gli astrofisici possono confrontare questi spettri teorici con quelli osservativi e interpretare quali tipi di atomi e molecole potrebbero essere presenti nelle nane bianche magnetiche".

Il lavoro è vantaggioso anche per altri due campi di ricerca.

Primo, favorisce la comprensione dei cambiamenti chimici negli atomi e nelle molecole in condizioni estreme in cui le forze magnetiche controbilanciano le forze coulombiane. Questa è un'area importante della ricerca chimica fondamentale in cui, ad esempio, si incontrano nuovi fenomeni come il "legame paramagnetico perpendicolare", un nuovo tipo di legame chimico che non si verifica sulla Terra.

Secondo, i dati accurati ottenuti utilizzando questa metodologia possono aiutare nello sviluppo di migliori funzionali per il calcolo delle proprietà magnetiche nella teoria del funzionale della densità, un metodo ampiamente utilizzato nella chimica computazionale.

"La nostra più grande sfida è il fatto che stiamo esaminando qualcosa che era precedentemente inesplorato. Questo è anche ciò che rende questo lavoro così interessante, " Stopkowicz ha detto. "I risultati dei calcoli sono spesso sorprendenti e non necessariamente intuitivi. Ogni volta che otteniamo qualcosa di nuovo, dobbiamo darci un senso".

Andando avanti, Stopkowicz ei suoi colleghi continueranno il loro lavoro sui componenti chiave necessari per generare spettri teorici per atomi e molecole in campi forti.

"C'è ancora molto lavoro da fare, "Stopkowicz ha detto, "ma la nostra visione è quella di contribuire al più ampio sforzo scientifico per svelare la composizione e la chimica delle nane bianche magnetiche".