De meeste sterren worden witte dwergen wanneer ze het einde van hun stellaire levenscyclus bereiken. Astrofysici bepalen welke elementen aanwezig zijn in deze ingestorte sterren door spectra die vanuit de ruimte worden waargenomen te vergelijken met ofwel experimenteel opnieuw gecreëerde spectra gemeten in laboratoria op aarde of theoretische spectra die zijn gegenereerd met behulp van computermodellen op basis van kwantumchemische principes. Overuren, ze hebben ontdekt dat witte dwergen niet alleen elementen bevatten zoals waterstof en helium, maar ook zuurstof, silicium, fosfor, koolstof en koolstofhoudende verbindingen.

Ongeveer 10 tot 20 procent van deze witte dwergen vertoont sterke magnetische velden.

"De sterkte van het magnetische veld in sommige witte dwergen kan oplopen tot 100, 000 Tesla, " zei Stella Stopkowicz, een theoretisch scheikundig onderzoeker aan het Instituut voor Fysische Chemie aan de Universiteit van Mainz in Duitsland.

In vergelijking, op aarde, de sterkste magnetische velden die kunnen worden gegenereerd met behulp van niet-destructieve magneten zijn ongeveer 100 tesla. Daarom, het bestuderen van de chemie in dergelijke extreme omstandigheden is alleen mogelijk met behulp van theorie en heeft tot nu toe niet veel inzicht gegeven in de spectra die deze witte dwergen vergezellen. Stopkowicz en haar collega, Florian Hampe, beschrijven hun werk bij het modelleren van deze systemen deze week in The Journal of Chemical Physics , van AIP Publishing.

"Bij deze aanzienlijke veldsterktes, magnetische en coulombkrachten in het atoom of molecuul worden even belangrijk, " zei Stopkowicz. "De magnetische velden veranderen de elektronische structuur van atomen en moleculen radicaal, zodat hun chemie onder deze omstandigheden tot op de dag van vandaag grotendeels onbekend is. Dit maakt de interpretatie van waarnemingsspectra uitdagend omdat ze er heel anders uitzien dan die verkregen in aardachtige omstandigheden. Het verkennen van dit probleem werd een belangrijk aandachtspunt voor ons onderzoek."

"De eerste zeer nauwkeurige theoretische benadering voor het onderzoeken van het effect van een sterk magnetisch veld op de elektronische structuur van atomen en moleculen was de 'Full Configuration-Interaction' (FCI) -methode (ook bekend als exacte diagonalisatie). Helaas, deze methode is alleen toepasbaar voor systemen met zeer weinig elektronen zoals waterstof, helium, lithium en beryllium, "Stopkowicz zei. "FCI is rekenkundig te duur om grotere atomen zoals zuurstof en moleculen zoals kleine koolwaterstoffen en hun overeenkomstige ionen zoals CH+ te onderzoeken."

Stopkowicz en haar collega's hebben zich daarom geconcentreerd op verschillende methodieken die breder toepasbaar zijn, met behoud van de gewenste nauwkeurigheid om met atomen en moleculen om te gaan in aanwezigheid van sterke magnetische velden.

"Voortbouwend op eerder werk dat we in het veld hebben gedaan, we hebben de 'Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)-methode' aangepast die kan worden gebruikt om toegang te krijgen tot de elektronisch aangeslagen toestanden van atomen en moleculen om met sterke magnetische velden om te gaan, "Zei Stopkowicz. We hebben toen een computerprogramma ontwikkeld waarin deze methode is verwerkt om ons te helpen bij het berekenen van excitatie-energieën; dit was een belangrijke stap in de richting van de voorspelling van spectra."

"In de volgende fase we zullen overgangsdipoolmomenten implementeren die het mogelijk maken om theoretische spectra voor atomen in sterke velden te berekenen, " zei Stopkowicz. "Astrofysici kunnen deze theoretische spectra vergelijken met waarnemingen en interpreteren welke soorten atomen en moleculen aanwezig kunnen zijn in magnetische witte dwergen."

Het werk is ook nuttig voor twee andere onderzoeksgebieden.

Eerst, het bevordert het begrip van chemische veranderingen in atomen en moleculen onder extreme omstandigheden waar magnetische krachten tegenwicht bieden aan Coulombkrachten. Dit is een belangrijk gebied van fundamenteel chemisch onderzoek waar, bijvoorbeeld, nieuwe fenomenen worden aangetroffen, zoals "loodrechte paramagnetische binding" - een nieuw type chemische binding die niet op aarde voorkomt.

Tweede, de nauwkeurige gegevens verkregen met behulp van deze methodologie kunnen helpen bij de ontwikkeling van betere functionalen voor de berekening van magnetische eigenschappen in dichtheidsfunctionaaltheorie, een veelgebruikte methode in computationele chemie.

"Onze grootste uitdaging is het feit dat we iets onderzoeken dat voorheen onontgonnen was. Dit is ook wat dit werk zo interessant maakt, " zei Stopkowicz. "De resultaten van de berekeningen zijn vaak verrassend en niet per se intuïtief. Telkens als we iets nieuws krijgen, we moeten er verstand van hebben."

Vooruit gaan, Stopkowicz en haar collega's zullen doorgaan met hun werk aan de belangrijkste componenten die nodig zijn om theoretische spectra te genereren voor atomen en moleculen in sterke velden.

"Er is nog veel werk aan de winkel, "Stopkowicz zei, "maar onze visie is om bij te dragen aan de grotere wetenschappelijke inspanning om de samenstelling en chemie van magnetische witte dwergen te onthullen."