De flesta stjärnor blir vita dvärgar när de når slutet av sin stjärnlivscykel. Astrofysiker bestämmer vilka element som finns i dessa kollapsade stjärnor genom att jämföra spektra som observerats från rymden mot antingen experimentellt återskapade spektra uppmätta i laboratorier på jorden eller teoretiska spektra som genereras med hjälp av datormodeller baserade på kvantkemiska principer. Över tid, de har funnit att vita dvärgar inte bara innehåller element som väte och helium, men också syre, kisel, fosfor, kol och kolhaltiga föreningar.

Ungefär 10 till 20 procent av dessa vita dvärgar uppvisar starka magnetfält.

"Styrkan hos magnetfältet i vissa vita dvärgar kan nå upp till 100, 000 Tesla, "sa Stella Stopkowicz, en teoretisk kemiforskare vid Institute for Physical Chemistry vid University of Mainz i Tyskland.

I jämförelse, på jorden, de starkaste magnetfält som kan genereras med icke -destruktiva magneter är cirka 100 tesla. Därför, att studera kemin under sådana extrema förhållanden är endast möjligt med hjälp av teori och har hittills inte gett mycket insikt i spektren som följer med dessa vita dvärgar. Stopkowicz och hennes kollega, Florian Hampe, beskriv deras arbete med att modellera dessa system den här veckan Journal of Chemical Physics , från AIP Publishing.

"Vid dessa betydande fältstyrkor, magnetiska och coulombiska krafter i atomen eller molekylen blir lika viktiga, "Stopkowicz sa." Magnetfälten förändrar radikalt den elektroniska strukturen hos atomer och molekyler så att deras kemi under dessa förhållanden till idag är mest okänd. Detta gör tolkningen av observationsspektra utmanande eftersom de ser väldigt annorlunda ut än de som erhålls under jordliknande förhållanden. Att utforska detta problem blev ett viktigt fokus för vår forskning. "

"Det första mycket exakta teoretiska tillvägagångssättet för att undersöka effekten av ett starkt magnetfält på den elektroniska strukturen hos atomer och molekyler var metoden" Full Configuration-Interaction "(FCI) (även känd som exakt diagonalisering). Tyvärr, denna metod är endast tillämplig för system med mycket få elektroner som väte, helium, litium och beryllium, "Stopkowicz sa." FCI är beräknat för dyrt för att undersöka större atomer som syre och molekyler som små kolväten och deras motsvarande joner som CH+. "

Stopkowicz och hennes kollegor har därför koncentrerat sig på olika metoder som är mer allmänt tillämpbara, samtidigt som den behåller önskad noggrannhet för att hantera atomer och molekyler i närvaro av starka magnetfält.

"Att bygga på tidigare arbete som vi har gjort på området, vi har anpassat metoden 'Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)' som kan användas för att komma åt elektroniskt exciterade tillstånd av atomer och molekyler för att hantera starka magnetfält, "Sa Stopkowicz. Vi utvecklade sedan ett datorprogram som införlivade denna metod för att hjälpa oss att beräkna excitationsenergier; detta var ett viktigt steg mot förutsägelse av spektra."

"I nästa steg, vi kommer att implementera övergångsdipolmoment som gör det möjligt att beräkna teoretiska spektra för atomer i starka fält, "Stopkowicz sa." Astrofysiker kan jämföra dessa teoretiska spektra med observationsspektra och tolka vilka typer av atomer och molekyler som kan finnas i magnetiska vita dvärgar. "

Arbetet är också fördelaktigt för två andra forskningsområden.

Först, det förstärker förståelsen av kemiska förändringar i atomer och molekyler under extrema förhållanden där magnetiska krafter motverkar Coulombic -krafter. Detta är ett viktigt område inom grundläggande kemiforskning där, till exempel, nya fenomen uppträder som "Perpendicular Paramagnetic Bonding" - en ny typ av kemisk bindning som inte förekommer på jorden.

Andra, de exakta data som erhållits med denna metodik kan hjälpa till med utvecklingen av bättre funktionaler för beräkning av magnetiska egenskaper i densitetsteori, en mycket använd metod i beräkningskemi.

"Vår största utmaning är det faktum att vi undersöker något som tidigare var outforskat. Det är också det som gör det här arbetet så intressant, "Stopkowicz sa." Resultaten från beräkningarna är ofta överraskande och inte nödvändigtvis intuitiva. När vi får något nytt, vi måste förstå det. "

Går framåt, Stopkowicz och hennes kollegor kommer att fortsätta sitt arbete med de viktigaste komponenterna som är nödvändiga för att generera teoretiska spektra för atomer och molekyler i starka fält.

"Det finns fortfarande mycket att göra, "Stopkowicz sa, "men vår vision är att bidra till den större vetenskapliga ansträngningen att avslöja sammansättningen och kemin hos magnetiska vita dvärgar."