La plupart des étoiles deviennent des naines blanches lorsqu'elles atteignent la fin de leur cycle de vie stellaire. Les astrophysiciens déterminent quels éléments sont présents dans ces étoiles effondrées en comparant les spectres observés depuis l'espace avec des spectres recréés expérimentalement mesurés dans des laboratoires sur Terre ou des spectres théoriques générés à l'aide de modèles informatiques basés sur des principes de chimie quantique. Heures supplémentaires, ils ont découvert que les naines blanches ne contiennent pas seulement des éléments comme l'hydrogène et l'hélium, mais aussi de l'oxygène, silicium, phosphoreux, le carbone et les composés contenant du carbone.

Environ 10 à 20 pour cent de ces naines blanches présentent de forts champs magnétiques.

"La force du champ magnétique chez certaines naines blanches peut atteindre jusqu'à 100, 000 Tesla, " a déclaré Stella Stopkowicz, chercheur en chimie théorique à l'Institut de chimie physique de l'Université de Mayence en Allemagne.

En comparaison, sur Terre, les champs magnétiques les plus puissants pouvant être générés à l'aide d'aimants non destructifs sont d'environ 100 teslas. Par conséquent, étudier la chimie dans des conditions aussi extrêmes n'est possible qu'en utilisant la théorie et jusqu'à présent n'a pas fourni beaucoup d'informations sur les spectres accompagnant ces naines blanches. Stopkowicz et son collègue, Florian Hampe, décrivent leur travail de modélisation de ces systèmes cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique , des éditions AIP.

"A ces forces de terrain considérables, les forces magnétiques et coulombiennes dans l'atome ou la molécule deviennent également importantes, " Stopkowicz a déclaré. " Les champs magnétiques modifient radicalement la structure électronique des atomes et des molécules de telle sorte que leur chimie dans ces conditions est à ce jour pratiquement inconnue. Cela rend l'interprétation des spectres d'observation difficile car ils semblent très différents de ceux obtenus dans des conditions semblables à celles de la Terre. L'exploration de ce problème est devenue un axe important de notre recherche. »

« La première approche théorique très précise pour examiner l'effet d'un champ magnétique puissant sur la structure électronique des atomes et des molécules était la méthode « Full Configuration-Interaction » (FCI) (également connue sous le nom de diagonalisation exacte). Malheureusement, cette méthodologie n'est applicable que pour les systèmes avec très peu d'électrons comme l'hydrogène, hélium, lithium et béryllium, " Stopkowicz a déclaré. " FCI est trop coûteux en calcul pour examiner des atomes plus gros tels que l'oxygène et des molécules telles que les petits hydrocarbures et leurs ions correspondants comme CH +. "

Stopkowicz et ses collègues se sont donc concentrés sur différentes méthodologies plus largement applicables, tout en conservant la précision souhaitée pour traiter les atomes et les molécules en présence de champs magnétiques puissants.

« En s'appuyant sur les travaux antérieurs que nous avons réalisés sur le terrain, nous avons adapté la méthode "Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)" qui peut être utilisée pour accéder aux états excités électroniquement des atomes et des molécules pour faire face à des champs magnétiques puissants, ", a déclaré Stopkowicz. Nous avons ensuite développé un programme informatique qui incorporait cette méthode pour nous aider à calculer les énergies d'excitation; c'était une étape importante vers la prédiction des spectres. "

« Dans la prochaine étape, nous mettrons en oeuvre des moments dipolaires de transition qui permettront de calculer des spectres théoriques pour des atomes dans des champs forts, " Stopkowicz a déclaré. "Les astrophysiciens peuvent comparer ces spectres théoriques à ceux d'observation et interpréter quels types d'atomes et de molécules pourraient être présents dans les naines blanches magnétiques."

Le travail est également bénéfique à deux autres domaines de recherche.

D'abord, il améliore la compréhension des changements chimiques dans les atomes et les molécules dans des conditions extrêmes où les forces magnétiques contrebalancent les forces coulombiennes. Il s'agit d'un domaine important de la recherche en chimie fondamentale où, par exemple, de nouveaux phénomènes sont rencontrés tels que la "liaison paramagnétique perpendiculaire" - un nouveau type de liaison chimique qui ne se produit pas sur Terre.

Seconde, les données précises obtenues à l'aide de cette méthodologie peuvent aider au développement de meilleures fonctionnelles pour le calcul des propriétés magnétiques dans la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode largement utilisée en chimie computationnelle.

"Notre plus grand défi est le fait que nous examinons quelque chose qui était auparavant inexploré. C'est aussi ce qui rend ce travail si intéressant, " Stopkowicz a déclaré. "Les résultats des calculs sont souvent surprenants et pas nécessairement intuitifs. Chaque fois que nous obtenons quelque chose de nouveau, nous devons lui donner un sens."

Aller de l'avant, Stopkowicz et ses collègues poursuivront leurs travaux sur les composants clés nécessaires pour générer des spectres théoriques pour les atomes et les molécules dans des champs forts.

« Il y a encore beaucoup de travail à faire, " Stopkowicz a dit, "mais notre vision est de contribuer à l'effort scientifique plus large pour dévoiler la composition et la chimie des naines blanches magnétiques."