Forskere modellerer Coulomb-krystaller for at forstå stjerneudviklingen

Stof i kernerne af gamle hvide dværge og skorper af neutronstjerner komprimeres til ufattelige tætheder af intense gravitationskræfter. Det videnskabelige samfund mener, at dette stof er sammensat af Coulomb-krystaller, der dannes ved temperaturer, der potentielt er så høje som 100 millioner Kelvin.

Denis A. Baiko og Andrew A. Kozhberov, forskere ved Ioffe Institute i Sankt Petersborg, Rusland, afklare disse krystallers fysik i denne uge i journalen Plasmas fysik .

En Coulomb-krystal dannes, når nøgne atomkerner retter sig ind i et gitter ved tætheder og temperaturer, hvor den gennemsnitlige kinetiske energi af ioner er omkring 175 gange lavere end den typiske potentielle energi af Coulomb tvinger frastødninger mellem dem.

Denne undersøgelse er den første samtidige analyse af virkningerne af stærke magnetiske felter og elektronscreening på ionbevægelse i en Coulomb-krystal.

"Dette projekt er den mest detaljerede beskrivelse af disse krystaller til dato, " sagde Baiko. "Dette er især vigtigt i astrofysik for vores forståelse af udviklingen af ​​neutronstjerner og hvide dværge."

Når en stjerne opbruger sin forsyning af brintgas, den dør og bukker under for sin egen tyngdekraft. Stjerner, som vores sol, dø og danne hvide dværge, mens større stjerner danner neutronstjerner. Baiko blev tiltrukket af en realistisk beskrivelse af neutronstjerneskorpen, som fik ham til at undersøge Coulomb-krystaller.

I undersøgelsen, forskerne udviklede en række beregninger for at undersøge egenskaberne af fononer eller vibrationer inden for gitteret af Coulomb-krystaller. Under forsøget, krystaller med forskellige tætheder blev også udsat for en række temperaturer.

Holdet begyndte med en ideel Coulomb-krystal og gradvist tilføjet kompleksitet - en polariserbar elektronbaggrund, magnetisering af ionbevægelse og flere gitterstrukturer. Hver af disse effekter ændrer fononerne på forskellige måder. Ifølge Baiko, disse beregninger kan bruges til at forstå termodynamisk, kinetiske og elastiske egenskaber af Coulomb-krystaller i neutronstjerneskorper og hvide dværgkerner.

I fremtiden, Baiko og hans team ønsker at beregne elektriske og termiske ledningsevner af elektroner på grund af uelastisk elektron-fonon-spredning i stærkt magnetiserede Coulomb-krystaller. Termisk ledningsevne bestemmer den hastighed, hvormed varme transporteres fra de varme kerner til overfladen af ​​stjerner, mens elektrisk ledningsevne er påkrævet for at forstå magnetfelts diffusion og drift. En sådan beregning ville gøre det muligt at rekonstruere termiske og magnetiske historier for disse fascinerende stjerneobjekter.

"Det spændende ved dette arbejde er, at man kan tage højde for flere forskellige fysiske effekter samtidigt og opnå nye, oplysende og relevante resultater ved brug af ret beskedne midler, " sagde Baiko. "Det er dejligt."