作者:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的布莱安娜·毕晓普 NIF腔内白矮星的合成图像
一颗白矮星的质量相当于地球的大小，是继中子星和黑洞之后太空中密度最大的物体之一
学分:马克·梅姆伯和克莱顿·达伦/LLNL 利用世界上能量最高的激光系统——国家点火装置(NIF)的能量，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员和一个国际合作小组开发了一种实验能力，可以在迄今为止在受控实验室实验中获得的最高压力下测量物质的基本性质，如状态方程(EOS)
这些结果与巨型行星的核心条件、棕矮星(失败恒星)的内部、白矮星的碳包层以及LLNL的许多应用科学项目有关
这些研究发表在今天的《自然》杂志上
根据作者的说法，与白矮星包络的重叠是特别重要的——这项新的研究使得在这种状态下物质基本性质的实验基准成为可能
这些结果最终将导致白矮星模型的改进，白矮星代表了宇宙中大多数恒星进化的最后阶段
几十亿年后，太阳和其他中等质量和低质量的恒星将经历一系列膨胀和收缩，导致白矮星的形成——白矮星的命运是耗尽核燃料，坍缩成热的、超致密的碳氧混合物
为了解决与白矮星和各种实验室研究项目相关的极端压力下的状态方程模型中的分歧，科学家们对一种被称为“热DQ”的不寻常白矮星外层碳层的条件进行了首次实验室研究
" 这项研究将固体碳氢化合物样品置于100至450兆巴(地球大气压力的1亿至4.5亿倍)的压力下，以确定热DQ对流层中的状态方程——压力和压缩之间的关系
这是实验室状态方程测量中获得的最高压力
“白矮星为恒星物理模型提供了重要的测试，但是在这些极端条件下的状态方程模型基本上未经测试，”该论文的主要作者、LLNL物理学家安妮·克里彻说
“NIF可以复制从行星和棕矮星核心到太阳中心的各种条件，”克里奇补充道
“在NIF实验中，我们还能够推导出沿激波Hugoniot的不透明度(Hugoniot曲线是在强激波压缩下材料压力和密度增加的曲线图)
这是研究恒星结构和演化的必要组成部分
" 热的DQs的大气主要由碳组成——而不是像大多数白矮星那样由氢和氦组成——并且异常的热和亮
由于它们表面的磁斑，有些在旋转时也会脉动，从而提供了可观察到的亮度变化
研究人员说，分析这些变化“提供了白矮星模型的严格测试和恒星演化后期结果的详细图像。”
然而，他们补充说，目前与白矮星外壳相关的状态方程模型在数亿个大气压下可以变化近10%，这对恒星演化模型来说是一个很大的不确定性
克里奇说，以前的研究人员称这是“构成物理学中最薄弱的一环”，它为白矮星建模提供了信息
NIF的研究可以通过提供第一批状态方程数据来帮助解决这些差异，这些数据到达了DQ热对流区深处的条件——该区域的模型显示出最大的可变性
实验结果与状态方程模型一致，状态方程模型认识到极端压力能在多大程度上从碳原子上剥离内壳层电子，从而降低所得电离等离子体的不透明度并增加其可压缩性
地球观测系统的研究是NIF发现科学“十亿大气运动”的产物，该运动由罗杰·法尔科内和他在加州大学伯克利分校的学生和博士后以及来自LLNL的其他NIF学术用户和早期职业科学家发起
它得到了LLNL实验室指导研究和发展计划、加州大学总统办公室、国家核安全管理局和能源部科学办公室的支持
法尔科内说:“NIF发现科学项目使我们来自大学、国家实验室和行业的不同研究团队能够共同努力，从根本上理解物质在最极端压力和温度下的行为。”
“NIF是世界上唯一能够创造和探索这些条件的设施，其专家支持团队是我们成功的关键
这篇论文强调了这种合作的力量，是基础研究如何在许多领域找到应用的证据，包括天体物理学
" 在状态方程实验中，NIF的激光发射了1
100万焦耳的紫外线照射到一个铅笔橡皮擦大小的中空金圆柱体内部，形成一个均匀的x光“浴池”，峰值辐射温度接近3
500万度
x光被一个安装在房间中央的实心塑料球吸收了
塑料被x光加热并烧蚀，或者像火箭废气一样被吹走，产生烧蚀压力，以每秒150至220公里的速度向目标舱中心发射会聚冲击波
这些冲击合并成一个单一的更强的冲击，其压力接近地球大气层的十亿倍
研究人员使用时间和空间分辨的条纹x光照相术确定了休戈尼奥特——冲击波前沿的密度和压力
这些研究显示了在低温和环境温度下进行的实验的一致结果，这些实验产生了不同的初始密度和不同的激光脉冲形状
他们还用x光汤姆逊散射测量了整体受激材料的电子温度和电离程度
“我们测量了高压下不透明度的降低，这与碳内壳的显著电离有关，”克里奇说
“沿着休戈尼奥特的这个压力范围对应于白矮星碳包层中的条件
我们的数据与包括详细电子壳结构的状态方程模型一致
" 她说，这些模型“比没有电子壳的模型显示出更尖锐的弯曲和更高的最大压缩”，表明状态方程“软化”
这导致由这种“压力电离”导致的压缩增加
" 研究人员总结说，实验数据有助于更好地建立脉动热DQ恒星的模型，更准确地确定它们的内部结构、脉动特性、光谱演化和复杂起源
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