La mayoría de las estrellas se convierten en enanas blancas cuando alcanzan el final de su ciclo de vida estelar. Los astrofísicos determinan qué elementos están presentes en estas estrellas colapsadas comparando los espectros observados desde el espacio con los espectros recreados experimentalmente medidos en laboratorios en la Tierra o espectros teóricos generadosutilizando modelos informáticos basados en principios de química cuántica. Con el tiempo, han descubierto que las enanas blancas no solo contienen elementos como hidrógeno y helio, sino también oxígeno, silicio, fósforo, carbono y compuestos que contienen carbono.
Aproximadamente del 10 al 20 por ciento de estas enanas blancas exhiben fuertes campos magnéticos.
"La fuerza del campo magnético en algunas enanas blancas puede alcanzar hasta 100,000 Tesla", dijo Stella Stopkowicz, investigadora teórica de química en el Instituto de Química Física de la Universidad de Mainz en Alemania.
En comparación, en la Tierra, los campos magnéticos más fuertes que se pueden generar usando imanes no destructivos son alrededor de 100 teslas. Por lo tanto, estudiar la química en condiciones tan extremas solo es posible usando la teoría y hasta ahora no ha proporcionado mucha información sobre los espectros que acompañanestas enanas blancas. Stopkowicz y su colega, Florian Hampe, describen su trabajo modelando estos sistemas esta semana El diario de la física química , de AIP Publishing.
"En estas intensidades de campo considerables, las fuerzas magnéticas y de Coulombic en el átomo o molécula se vuelven igualmente importantes", dijo Stopkowicz. "Los campos magnéticos alteran radicalmente la estructura electrónica de los átomos y las moléculas, de modo que su química en estas condiciones es hasta hoyen su mayoría desconocidos. Esto hace que la interpretación de los espectros de observación sea un desafío, ya que se ven muy diferentes de los obtenidos en condiciones similares a la Tierra. Explorar este problema se convirtió en un foco importante para nuestra investigación ".
"El primer enfoque teórico muy preciso para examinar el efecto de un fuerte campo magnético en la estructura electrónica de los átomos y las moléculas fue el método de 'Interacción de configuración completa' FCI también conocido como diagonalización exacta. Desafortunadamente, esta metodología"Solo es aplicable para sistemas con muy pocos electrones como hidrógeno, helio, litio y berilio", dijo Stopkowicz. "El FCI es computacionalmente demasiado costoso para examinar átomos más grandes como el oxígeno y moléculas como los pequeños hidrocarburos y sus iones correspondientes como CH +".
Stopkowicz y sus colegas, por lo tanto, se han concentrado en diferentes metodologías que son más ampliamente aplicables, al tiempo que conservan la precisión deseada para tratar con átomos y moléculas en presencia de fuertes campos magnéticos.
"Sobre la base del trabajo previo que hemos realizado en el campo, hemos adaptado el 'Método de ecuación de movimiento de clúster acoplado EOM-CC' que se puede utilizar para acceder a los estados excitados electrónicamente de átomos y moléculas para tratarfuertes campos magnéticos ", dijo Stopkowicz. Luego desarrollamos un programa informático que incorporó este método para ayudarnos a calcular las energías de excitación; este fue un paso importante hacia la predicción de espectros".
"En la próxima etapa, implementaremos momentos dipolares de transición que permitirán calcular espectros teóricos para átomos en campos fuertes", dijo Stopkowicz. "Los astrofísicos pueden comparar estos espectros teóricos con los observacionales e interpretar qué tipos de átomos ylas moléculas pueden estar presentes en enanas blancas magnéticas "
El trabajo también es beneficioso para otros dos campos de investigación.
Primero, fomenta la comprensión de los cambios químicos en los átomos y las moléculas en condiciones extremas donde las fuerzas magnéticas contrarrestan las fuerzas de Coulombic. Esta es un área importante de la investigación química fundamental donde, por ejemplo, se encuentran nuevos fenómenos tales como "Enlace paramagnético perpendicular"- Un nuevo tipo de enlace químico que no ocurre en la Tierra.
Segundo, los datos precisos obtenidos usando esta metodología pueden ayudar en el desarrollo de mejores funciones para el cálculo de las propiedades magnéticas en la teoría funcional de la densidad, un método ampliamente utilizado en química computacional.
"Nuestro mayor desafío es el hecho de que estamos examinando algo que no había sido explorado previamente. Esto también es lo que hace que este trabajo sea tan interesante", dijo Stopkowicz. "Los resultados de los cálculos a menudo son sorprendentes y no necesariamente intuitivos. Siempre que obtenemosalgo nuevo, tenemos que darle sentido "
En adelante, Stopkowicz y sus colegas continuarán su trabajo en los componentes clave necesarios para generar espectros teóricos para átomos y moléculas en campos fuertes.
"Todavía queda mucho trabajo por hacer", dijo Stopkowicz, "pero nuestra visión es contribuir al esfuerzo científico más amplio para revelar la composición y la química de las enanas blancas magnéticas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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