Gebruikmakend van de kracht van de National Ignition Facility (NIF), 's werelds meest energierijke lasersysteem, onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en een internationaal team van medewerkers hebben een experimenteel vermogen ontwikkeld om de basiseigenschappen van materie te meten, zoals de toestandsvergelijking (EOS), bij de hoogste druk die tot nu toe in een gecontroleerd laboratoriumexperiment is bereikt.

De resultaten zijn relevant voor de omstandigheden in de kernen van reuzenplaneten, het interieur van bruine dwergen (mislukte sterren), de koolstofomhulsels van witte dwergsterren en veel toegepaste wetenschappelijke programma's bij LLNL.

De onderzoeken zijn vandaag gepubliceerd in Natuur .

Volgens de auteurs is de overlap met witte dwergenveloppen is bijzonder significant - dit nieuwe onderzoek maakt experimentele benchmarks mogelijk van de basiseigenschappen van materie in dit regime. De resultaten moeten uiteindelijk leiden tot verbeterde modellen van witte dwergen, die de laatste fase van evolutie vertegenwoordigen voor de meeste sterren in het universum.

Na miljarden jaren, de zon en andere middelzware en lichte sterren zullen een opeenvolging van uitzettingen en samentrekkingen ondergaan die resulteren in de vorming van witte dwergen - het lot van sterren die hun nucleaire brandstof hebben opgebruikt en zijn ingestort in hete, superdichte mengsels van koolstof en zuurstof.

In een poging om meningsverschillen in EOS-modellen bij extreme druk die relevant zijn voor witte dwergsterren en verschillende laboratoriumonderzoeksprojecten op te lossen, wetenschappers voerden de eerste laboratoriumstudies van materie uit onder de omstandigheden in de buitenste koolstoflaag van een ongebruikelijke klasse van witte dwergen die een 'hete DQ' wordt genoemd.

Het onderzoek onderwierp vaste koolwaterstofmonsters aan drukken variërend van 100 tot 450 megabar (100 tot 450 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde) om de EOS - de relatie tussen druk en compressie - in de convectielaag van een hete DQ te bepalen. Dit waren de hoogste drukken die ooit zijn bereikt in laboratorium EOS-metingen.

"Witte dwergsterren bieden belangrijke tests van stellaire natuurkundige modellen, maar EOS-modellen onder deze extreme omstandigheden zijn grotendeels niet getest, " zei LLNL-natuurkundige Annie Kritcher, hoofdauteur van de krant.

"NIF kan omstandigheden dupliceren, variërend van de kernen van planeten en bruine dwergen tot die in het centrum van de zon, " voegde Kritcher toe. "We zijn ook in staat om in NIF-experimenten de opaciteit langs de schok Hugoniot af te leiden (de Hugoniot-curve is een grafiek van de toename van de druk en dichtheid van een materiaal onder sterke schokcompressie). Dit is een noodzakelijk onderdeel in studies van stellaire structuur en evolutie."

Hete DQ's hebben een atmosfeer die voornamelijk bestaat uit koolstof - in plaats van waterstof en helium zoals bij de meeste witte dwergen - en zijn ongewoon heet en helder. Sommige pulseren ook als ze draaien vanwege magnetische vlekken op hun oppervlak, het verstrekken van waarneembare variaties in helderheid. Het analyseren van deze variaties "levert strenge tests op van witte dwergmodellen en een gedetailleerd beeld van de uitkomst van de late stadia van stellaire evolutie, ', aldus de onderzoekers.

Ze voegden eraan toe, echter, dat de huidige EOS-modellen die relevant zijn voor witte dwergenveloppen bij drukken in de honderden miljoenen atmosferen met bijna 10 procent kunnen variëren, "een aanzienlijke onzekerheid voor modellen voor stellaire evolutie." Eerdere onderzoekers hebben dit de "zwakste schakel in de constitutieve fysica" genoemd die de modellering van witte dwergen informeert, zei Kritcher.

Het NIF-onderzoek zou kunnen helpen de verschillen op te lossen door de eerste EOS-gegevens te leveren die omstandigheden bereiken diep in de convectiezone van een hete DQ - de regio waar modellen de grootste variabiliteit vertonen. De resultaten van de experimenten komen overeen met EOS-modellen die de mate erkennen waarin extreme drukken elektronen in de binnenste schil van hun koolstofatomen kunnen strippen, het verminderen van de opaciteit en het verhogen van de samendrukbaarheid van het resulterende geïoniseerde plasma.

Het EOS-onderzoek is een uitvloeisel van de NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, of een miljard atmosfeer) Campagne, " geïnitieerd door Roger Falcone en zijn studenten en postdocs aan de Universiteit van Californië, Berkeley en andere NIF academische gebruikers en vroege carrière wetenschappers van LLNL. Het werd ondersteund door het LLNL Laboratory Directed Research and Development Program, het kantoor van de president van de Universiteit van Californië, de National Nuclear Security Administration en het Department of Energy Office of Science.

"Het NIF Discovery Science Program stelde ons diverse team van onderzoekers - van universiteiten, nationale laboratoria en industrie - om samen te werken aan een langetermijninspanning om het gedrag van materie onder de meest extreme drukken en temperaturen fundamenteel te begrijpen, Falcone zei. "NIF is de enige faciliteit ter wereld die in staat is om die omstandigheden te creëren en te onderzoeken, en zijn deskundige ondersteuningsteams waren de sleutel tot ons succes. Dit document benadrukt de kracht van die samenwerking en is het bewijs voor hoe fundamenteel onderzoek toepassingen kan vinden op vele gebieden, inclusief astrofysica."

In de EOS-experimenten, NIF's lasers leverden 1,1 miljoen joule ultraviolet licht aan de binnenkant van een holle gouden cilinder ter grootte van een potloodgum, een hohlraum genaamd, het creëren van een uniform röntgen "bad" met een maximale stralingstemperatuur van bijna 3,5 miljoen graden. De röntgenstralen werden geabsorbeerd door een massieve plastic bol die in het midden van de hohlraum was gemonteerd.

Het plastic werd verwarmd en geablateerd, of weggeblazen als raketuitlaat, door de röntgenstralen, het creëren van ablatiedruk die convergerende schokgolven met 150 tot 220 kilometer per seconde naar het midden van de doelcapsule lanceerde. De schokken vloeiden samen in een enkele sterkere schok die een druk bereikte die een miljard keer de atmosfeer van de aarde naderde.

Onderzoekers bepaalden de Hugoniot - de dichtheid en druk aan het schokfront - met behulp van temporeel en ruimtelijk opgeloste gestreepte röntgenradiografie. De onderzoeken toonden consistente resultaten voor experimenten die werden uitgevoerd bij zowel cryogene als omgevingstemperaturen - die verschillende initiële startdichtheden produceerden - en met verschillende laserpulsvormen. Ze maten ook de elektronentemperatuur en de mate van ionisatie van het bulkshockmateriaal met Thomson-verstrooiing met röntgenstraling.

"We hebben een vermindering van de ondoorzichtigheid gemeten bij hoge druk, wat gepaard gaat met een significante ionisatie van de koolstof binnenschaal, "Zei Kritcher. "Dit drukbereik langs de Hugoniot komt overeen met de omstandigheden in het koolstofomhulsel van witte dwergsterren. Onze gegevens komen overeen met de toestandsvergelijkingsmodellen die de gedetailleerde elektronische schaalstructuur bevatten."

Die modellen "vertonen een scherpere buiging in de Hugoniot en een hogere maximale compressie dan modellen zonder elektronische schelpen, " ze zei, suggereert een "verzachting" van de EOS. Dit leidt tot verhoogde compressie als gevolg van deze "drukionisatie".

De experimentele gegevens kunnen bijdragen aan betere modellen van pulserende hete DQ-sterren en een nauwkeurigere bepaling van hun interne structuren, pulsatie eigenschappen, spectrale evolutie en complexe oorsprong, concludeerden de onderzoekers.