Med hjälp av kraften från National Ignition Facility (NIF), världens lasersystem med högst energi, forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och ett internationellt team av medarbetare har utvecklat en experimentell förmåga att mäta materiens grundläggande egenskaper, såsom tillståndsekvationen (EOS), vid de högsta trycken som hittills uppnåtts i ett kontrollerat laboratorieexperiment.

Resultaten är relevanta för förhållandena i kärnorna av jätteplaneter, interiören av bruna dvärgar (misslyckade stjärnor), kolhöljena av vita dvärgstjärnor och många tillämpade naturvetenskapliga program vid LLNL.

Studierna publicerades idag i Natur .

Enligt författarna, överlappningen med vita dvärghöljen är särskilt betydande – denna nya forskning möjliggör experimentella riktmärken för materiens grundläggande egenskaper i denna regim. Resultaten bör i slutändan leda till förbättrade modeller av vita dvärgar, som representerar det sista stadiet av evolutionen för de flesta stjärnor i universum.

Efter miljarder år, solen och andra medel- och lågmassiga stjärnor kommer att genomgå en sekvens av expansioner och sammandragningar som resulterar i bildandet av vita dvärgar - ödet för stjärnor som har förbrukat sitt kärnbränsle och kollapsat till heta, supertäta blandningar av kol och syre.

I ett försök att lösa meningsskiljaktigheter i EOS-modeller vid extrema tryck som är relevanta för vita dvärgstjärnor och olika laboratorieforskningsprojekt, forskare genomförde de första laboratoriestudierna av materia vid förhållandena i det yttre kolskiktet av en ovanlig klass av vit dvärg som kallas "hot DQ".

Forskningen utsatte fasta kolväteprover för tryck från 100 till 450 megabar (100 till 450 miljoner gånger jordens atmosfärstryck) för att bestämma EOS - förhållandet mellan tryck och kompression - i konvektionsskiktet i en varm DQ. Dessa var de högsta trycken som någonsin uppnåtts i EOS-laboratoriummätningar.

"Vita dvärgstjärnor ger viktiga tester av stjärnfysikmodeller, men EOS-modeller vid dessa extrema förhållanden är till stor del oprövade, " sa LLNL fysiker Annie Kritcher, tidningens huvudförfattare.

"NIF kan duplicera förhållanden som sträcker sig från kärnorna av planeter och bruna dvärgar till de i mitten av solen, ", tillade Kritcher. "Vi kan också i NIF-experiment härleda opaciteten längs stöten Hugoniot (Hugoniotkurvan är en plot av ökningen av ett material tryck och densitet under stark stötkompression). Detta är en nödvändig komponent i studier av stjärnstruktur och evolution."

Heta DQs har atmosfärer som huvudsakligen består av kol - istället för väte och helium som i de flesta vita dvärgar - och är ovanligt varma och ljusa. Vissa pulserar också när de roterar på grund av magnetiska fläckar på ytan, ger observerbara variationer i ljusstyrka. Att analysera dessa variationer "ger strikta tester av vita dvärgmodeller och en detaljerad bild av resultatet av de sena stadierna av stjärnutvecklingen, " sa forskarna.

De tillade, dock, att nuvarande EOS-modeller som är relevanta för vita dvärghöljen vid tryck i hundratals miljoner atmosfärer kan variera med nästan 10 procent, "en betydande osäkerhet för stjärnutvecklingsmodeller." Tidigare forskare har kallat detta den "svagaste länken i den konstitutiva fysiken" som informerar vit dvärgmodellering, sa Kritcher.

NIF-forskningen skulle kunna hjälpa till att lösa skillnaderna genom att tillhandahålla de första EOS-data som når förhållanden djupt i konvektionszonen i en varm DQ – den region där modellerna visar störst variation. Resultaten av experimenten överensstämmer med EOS-modeller som känner igen i vilken utsträckning extrema tryck kan ta bort elektroner från det inre skalet från deras kolatomer, minska opaciteten och öka kompressibiliteten hos den resulterande joniserade plasman.

EOS-forskningen är en utväxt av NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, eller en miljard atmosfärer) Kampanj, " initierad av Roger Falcone och hans studenter och postdoktorer vid University of California, Berkeley och andra akademiska användare av NIF och forskare i tidiga karriärer från LLNL. Det stöddes av LLNL Laboratory Directed Research and Development Program, presidentens kontor vid University of California, National Nuclear Security Administration och Department of Energy Office of Science.

"NIF Discovery Science Program gjorde det möjligt för vårt mångsidiga team av forskare - från universitet, nationella laboratorier och industri – att arbeta tillsammans i en långsiktig ansträngning för att i grunden förstå materiens beteende under de mest extrema tryck och temperaturer, Falcone sa. "NIF är den enda anläggningen i världen som kan skapa och undersöka dessa förhållanden, och dess expertsupportteam var nyckeln till vår framgång. Denna artikel belyser styrkan i det samarbetet och är bevis för hur grundforskning kan hitta tillämpningar inom många områden, inklusive astrofysik."

I EOS-experimenten, NIF:s lasrar levererade 1,1 miljoner joule ultraviolett ljus till insidan av en ihålig guldcylinder i storlek med penna och radergummi som kallas en hohlraum, skapa ett enhetligt röntgen-"bad" med en toppstrålningstemperatur på nästan 3,5 miljoner grader. Röntgenstrålarna absorberades av en solid plastkula monterad i mitten av hohlraumen.

Plasten värmdes upp och togs bort, eller blåst av som raketavgaser, genom röntgenstrålar, skapade ablationstryck som utlöste konvergerande chockvågor med 150 till 220 kilometer i sekunden mot mitten av målkapseln. Stöterna smälte samman till en enda starkare chock som nådde tryck som närmade sig en miljard gånger jordens atmosfär.

Forskare fastställde Hugoniot - densiteten och trycket vid stötfronten - med hjälp av tidsmässigt och rumsligt upplöst streaked röntgenröntgen. Studierna visade konsekventa resultat för experiment vid både kryogena och omgivande temperaturer - som gav olika initiala startdensiteter - och med varierande laserpulsformer. De mätte också det bulkchockade materialets elektrontemperatur och joniseringsgrad med Thomson-röntgenspridning.

"Vi mätte en minskning av opaciteten vid höga tryck, som är förknippad med en betydande jonisering av kolets inre skal, ", sa Kritcher. "Detta tryckintervall längs Hugoniot motsvarar förhållandena i kolhöljet av vita dvärgstjärnor. Våra data överensstämmer med ekvationsmodeller som inkluderar den detaljerade elektroniska skalstrukturen."

Dessa modeller "visar en skarpare böj i Hugoniot och högre maximal kompression än modeller som saknar elektroniska skal, " Hon sa, föreslår en "mjukning" av EOS. Detta leder till ökad kompression till följd av denna "tryckjonisering".

Experimentdata kan bidra till bättre modeller av pulserande heta DQ-stjärnor och en mer exakt bestämning av deras interna strukturer, pulserande egenskaper, spektral evolution och komplext ursprung, drog forskarna slutsatsen.