Optag EOS-målingstryk kaster lys over stjernernes udvikling

Ved at bruge kraften fra National Ignition Facility (NIF), verdens højeste energi-lasersystem, forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og et internationalt team af samarbejdspartnere har udviklet en eksperimentel kapacitet til at måle stoffets grundlæggende egenskaber, såsom tilstandsligningen (EOS), ved de hidtil højeste tryk i et kontrolleret laboratorieforsøg.

Resultaterne er relevante for forholdene i kernen af ​​gigantiske planeter, det indre af brune dværge (mislykkede stjerner), kulstofhylstrene af hvide dværgstjerner og mange anvendte videnskabelige programmer på LLNL.

Undersøgelserne blev offentliggjort i dag i Natur .

Ifølge forfatterne, overlapningen med hvide dværg-konvolutter er særlig betydningsfuld - denne nye forskning muliggør eksperimentelle benchmarks for de grundlæggende egenskaber af stof i dette regime. Resultaterne skulle i sidste ende føre til forbedrede modeller af hvide dværge, som repræsenterer den sidste fase af udviklingen for de fleste stjerner i universet.

Efter milliarder af år, solen og andre mellem- og lavmassestjerner vil gennemgå en sekvens af udvidelser og sammentrækninger, der resulterer i dannelsen af ​​hvide dværge - skæbnen for stjerner, der har opbrugt deres kernebrændsel og kollapset til varme, supertætte blandinger af kulstof og ilt.

I et forsøg på at løse uenigheder i EOS-modeller ved ekstreme tryk, der er relevante for hvide dværgstjerner og forskellige laboratorieforskningsprojekter, forskere udførte de første laboratorieundersøgelser af stof ved forholdene i det ydre kulstoflag af en usædvanlig klasse af hvide dværge kaldet en "hot DQ".

Forskningen udsatte faste kulbrinteprøver for tryk fra 100 til 450 megabar (100 til 450 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk) for at bestemme EOS - forholdet mellem tryk og kompression - i konvektionslaget i en varm DQ. Dette var de højeste tryk nogensinde opnået i laboratorie-EOS-målinger.

"Hvide dværgstjerner giver vigtige test af stjernefysikmodeller, men EOS-modeller under disse ekstreme forhold er stort set utestede, " sagde LLNL fysiker Annie Kritcher, avisens hovedforfatter.

"NIF kan duplikere forhold lige fra kernerne af planeter og brune dværge til dem i midten af ​​solen, "Kritcher tilføjede. "Vi er også i stand til i NIF-eksperimenter at udlede opaciteten langs stødet Hugoniot (Hugoniot-kurven er et plot af stigningen i et materiales tryk og tæthed under kraftig stødkompression). Dette er en nødvendig komponent i studier af stjernernes struktur og evolution."

Hot DQ'er har atmosfærer, der primært består af kulstof - i stedet for brint og helium som i de fleste hvide dværge - og er usædvanligt varme og lyse. Nogle pulserer også, mens de roterer på grund af magnetiske pletter på deres overflade, giver observerbare variationer i lysstyrke. Analyse af disse variationer "giver strenge tests af hvide dværgmodeller og et detaljeret billede af resultatet af de sene stadier af stjernernes evolution, " sagde forskerne.

De tilføjede, imidlertid, at nuværende EOS-modeller, der er relevante for hvide dværg-konvolutter ved tryk i hundreder af millioner af atmosfærer, kan variere med næsten 10 procent, "en betydelig usikkerhed for stjerneudviklingsmodeller." Tidligere forskere har kaldt dette det "svageste led i den konstitutive fysik", der informerer hvid dværg modellering, sagde Kritcher.

NIF-forskningen kunne hjælpe med at løse forskellene ved at levere de første EOS-data, der når betingelser dybt inde i konvektionszonen i en varm DQ - den region, hvor modellerne viser den største variation. Resultaterne af eksperimenterne stemmer overens med EOS-modeller, der anerkender, i hvilket omfang ekstreme tryk kan fjerne elektroner fra den indre skal fra deres kulstofatomer, reducere opaciteten og øge komprimerbarheden af ​​det resulterende ioniserede plasma.

EOS-forskningen er en udløber af NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, eller en milliard atmosfærer) Kampagne, "initieret af Roger Falcone og hans studerende og postdocs ved University of California, Berkeley og andre akademiske brugere af NIF og forskere fra tidlig karriere fra LLNL. Det blev støttet af LLNL Laboratory Directed Research and Development Program, præsidentens kontor ved University of California, National Nuclear Security Administration og Department of Energy Office of Science.

"NIF Discovery Science Program gjorde det muligt for vores mangfoldige team af forskere - fra universiteter, nationale laboratorier og industri - at arbejde sammen om en langsigtet indsats for grundlæggende at forstå stoffets adfærd under de mest ekstreme tryk og temperaturer, Falcone sagde. "NIF er den eneste facilitet i verden, der er i stand til at skabe og undersøge disse forhold, og dets ekspertsupportteams var nøglen til vores succes. Denne artikel fremhæver styrken af ​​dette samarbejde og er bevis for, hvordan grundforskning kan finde anvendelse på mange områder, inklusive astrofysik."

I EOS-eksperimenterne, NIF's lasere leverede 1,1 millioner joule ultraviolet lys til indersiden af ​​en hul guldcylinder på størrelse med blyant-viskelæder, kaldet en hohlraum, skabe et ensartet røntgen-"bad" med en maksimal strålingstemperatur på næsten 3,5 millioner grader. Røntgenstrålerne blev absorberet af en solid plastikkugle monteret i midten af ​​hohlraumen.

Plasten blev opvarmet og fjernet, eller blæst af som raketudstødning, ved røntgenstråler, skabe ablationstryk, der lancerede konvergerende chokbølger med 150 til 220 kilometer i sekundet mod midten af ​​målkapslen. Stødene forenede sig til et enkelt stærkere chok, der nåede tryk, der nærmede sig en milliard gange Jordens atmosfære.

Forskere bestemte Hugoniot - tætheden og trykket ved stødfronten - ved hjælp af tidsmæssigt og rumligt opløst streaked røntgen-radiografi. Undersøgelserne viste konsistente resultater for eksperimenter udført ved både kryogene og omgivende temperaturer - som producerede forskellige begyndelsestætheder - og med varierende laserpulsformer. De målte også bulkchokmaterialets elektrontemperatur og ioniseringsgrad med Thomson-røntgenspredning.

"Vi målte en reduktion i opacitet ved høje tryk, som er forbundet med en betydelig ionisering af den indre kulstofskal, " sagde Kritcher. "Dette trykområde langs Hugoniot svarer til forholdene i kulstofhylstret af hvide dværgstjerner. Vores data stemmer overens med ligningsmodeller, der inkluderer den detaljerede elektroniske skalstruktur."

Disse modeller "viser en skarpere bøjning i Hugoniot og højere maksimal kompression end modeller, der mangler elektroniske skaller, " hun sagde, tyder på en "blødgøring" af EOS. Dette fører til øget kompression som følge af denne "trykionisering".

De eksperimentelle data kan bidrage til bedre modeller af pulserende varme DQ-stjerner og en mere nøjagtig bestemmelse af deres indre strukturer, pulserende egenskaber, spektral udvikling og kompleks oprindelse, konkluderede forskerne.