Usando o poder do National Ignition Facility (NIF), o sistema laser de maior energia do mundo, pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e uma equipe internacional de colaboradores desenvolveram uma capacidade experimental para medir as propriedades ba¡sicas da matéria, como a equação de estado (EOS), nas pressaµes mais altas alcana§adas atéagora em um experimento de laboratório controlado.

Os resultados são relevantes para as condições nos núcleos dos planetas gigantes, no interior das ana£s marrons (estrelas fracassadas), nos envelopes de carbono das estrelas ana£s brancas e em muitos programas cienta­ficos aplicados no LLNL.

Os estudos foram publicados hoje na Nature .

Segundo os autores, a sobreposição com envelopes de anãbranca éparticularmente significativa - essa nova pesquisa permite referaªncias experimentais das propriedades ba¡sicas da matéria nesse regime. Os resultados devem levar a modelos aprimorados de ana£s brancas, que representam o esta¡gio final da evolução para a maioria das estrelas do universo.

Apa³s bilhaµes de anos, o sol e outras estrelas de média e baixa massa sofrera£o uma sequaªncia de expansaµes e contrações que resultam na formação de ana£s brancas - o destino das estrelas que esgotaram seu combusta­vel nuclear e entraram em colapso. densas misturas de carbono e oxigaªnio.

Em um esfora§o para resolver desacordos nos modelos de EOS a pressaµes extremas relevantes para estrelas de anãbranca e vários projetos de pesquisa de laboratório, os cientistas conduziram os primeiros estudos de laboratório de matéria nas condições na camada externa de carbono de uma classe incomum de anãbranca chamada "DQ quente".

A pesquisa submeteu amostras de hidrocarbonetos sãolidos a pressaµes variando de 100 a 450 megabares (100 a 450 milhões de vezes a pressão atmosfanãrica da Terra ) para determinar a EOS - a relação entre pressão e compressão - na camada de convecção de um DQ quente. Essas foram as pressaµes mais altas já alcana§adas nas medições de EOS em laboratório.

"As estrelas ana£s brancas fornecem testes importantes de modelos de física estelar, mas os modelos EOS nessas condições extremas não são testados em grande parte", disse a física do LLNL Annie Kritcher, principal autora do artigo.

"A NIF pode duplicar condições que variam dos núcleos dos planetas e das ana£s marrons a s do centro do sol", acrescentou Kritcher. "Tambanãm somos capazes, em experimentos NIF, de deduzir a opacidade ao longo do choque Hugoniot (a curva Hugoniot éum gra¡fico do aumento da pressão e densidade de um material sob forte compressão de choque). Esse éum componente necessa¡rio em estudos de estrutura estelar e evolução."

Os DQs quentes tem atmosferas compostas principalmente de carbono - em vez de hidrogaªnio e hanãlio, como na maioria das ana£s brancas - e são extraordinariamente quentes e brilhantes. Alguns também pulsam a  medida que giram devido a pontos magnanãticos em suasuperfÍcie, fornecendo variações observa¡veis ​​no brilho. A análise dessas variações "fornece testes rigorosos dos modelos da anãbranca e uma imagem detalhada do resultado dos esta¡gios finais da evolução estelar", disseram os pesquisadores.

Eles acrescentaram, no entanto, que os atuais modelos EOS relevantes para envelopes de anãbranca sob pressaµes nas centenas de milhões de atmosferas podem variar em quase 10%, "uma incerteza significativa para modelos de evolução estelar". Pesquisadores anteriores chamaram isso de "elo mais fraco da física constitutiva" que informa a modelagem da anãbranca, disse Kritcher.

A pesquisa do NIF poderia ajudar a resolver as diferenças, fornecendo os primeiros dados de EOS que atingem condições profundas na zona de convecção de um DQ quente - a regia£o onde os modelos mostram a maior variabilidade. Os resultados das experiências concordam com os modelos de EOS que reconhecem atéque ponto pressaµes extremas podem retirar elanãtrons da camada interna de seus a¡tomos de carbono, diminuindo a opacidade e aumentando a compressibilidade do plasma ionizado resultante.

A pesquisa da EOS éresultado da Campanha "Gbar (gigabar ou um bilha£o de atmosferas) da NIF Discovery Science", iniciada por Roger Falcone e seus alunos e pa³s-doutorados na Universidade da Califa³rnia, Berkeley e outros usuários acadaªmicos do NIF e cientistas do ini­cio da carreira do LLNL . Foi apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laborata³rio LLNL, pelo Escrita³rio do Presidente da Universidade da Califa³rnia, pela Administração Nacional de Segurança Nuclear e pelo Departamento de Ciência do Departamento de Energia.

"O Programa NIF Discovery Science permitiu que nossa equipe diversificada de pesquisadores - de universidades, laboratórios nacionais e indústria - trabalhasse juntos em um esfora§o de longo prazo para entender fundamentalmente o comportamento da matéria sob as mais extremas pressaµes e temperaturas", disse Falcone. "A NIF éa única instalação no mundo capaz de criar e investigar essas condições, e suas equipes de suporte especializadas foram fundamentais para o nosso sucesso. Este documento destaca a força dessa colaboração e éuma evidência de como a pesquisa ba¡sica pode encontrar aplicações em muitos campos, incluindo astrofa­sica ".

Nas experiências da EOS, os lasers da NIF forneceram 1,1 milha£o de joules de luz ultravioleta para o interior de um cilindro de ouro oco do tamanho de uma borracha de la¡pis chamado hohlraum, criando um "banho" de raios-X uniforme com uma temperatura de radiação de pico de quase 3,5 milhões de graus . Os raios X foram absorvidos por uma esfera pla¡stica sãolida montada no centro do hohlraum.

O pla¡stico foi aquecido e ablado pelos raios X, como os gases de escape de um foguete, criando uma pressão de ablação que lançou ondas de choque convergentes de 150 a 220 quila´metros por segundo em direção ao centro da ca¡psula alvo. Os choques se fundiram em um aºnico choque mais forte que atingiu pressaµes próximas a um bilha£o de vezes a atmosfera da Terra.

Os pesquisadores determinaram o Hugoniot - a densidade e a pressão na frente do choque - usando radiografias de raios-X com resolução temporal e espacial. Os estudos mostraram resultados consistentes para experimentos realizados tanto em temperaturas criogaªnicas quanto em ambientes - que produziram diferentes densidades iniciais - e com formas variadas de pulsos de laser. Eles também mediram a temperatura do elanãtron e o grau de ionização do material em choque com a difusão de raios-X Thomson.

"Medimos uma redução na opacidade em altas pressaµes, o que estãoassociado a uma ionização significativa da carcaça interna de carbono", disse Kritcher. "Essa faixa de pressão ao longo do Hugoniot corresponde a s condições no envelope de carbono das estrelas ana£s brancas. Nossos dados estãode acordo com os modelos de equações de estado que incluem a estrutura eletra´nica detalhada da concha".

Esses modelos "mostram uma curva mais acentuada no Hugoniot e maior compressão máxima do que os modelos que não possuem cartuchos eletra´nicos", disse ela, sugerindo um "amolecimento" da EOS. Isso leva ao aumento da compressão resultante dessa "ionização por pressão".

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