使用劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员和国际合作者团队利用世界上能量最高的激光系统国家点火装置（NIF）的资源，在控制实验室实验中迄今达到的最高压力，开发出了测量物质基本特性的实验能力，如状态方程（EOS）。
图注：在NIF hohlraum里面的一个白矮星的综合图像。具有太阳质量的白矮星大约相当于地球的大小，使其成为继中子星和黑洞之后空间中最密集的物体之一。
这些结果与巨型行星的核心条件，褐矮星（失效恒星）的内部、白矮星的碳包膜以及劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的许多应用科学计划有关。
这些研究今天发表在《自然》上。
这组作者说，与白矮星包裹体的重叠特别重要——这项新研究为该体制下物质的基本性质提供了实验基准。结果最终将导致改进的白矮星模型，这代表了宇宙中大多数恒星演化的最后阶段。
数十亿年后，太阳和其他中低质量恒星将经历一系列膨胀和收缩，导致白矮星的形成——这些恒星已经耗尽了核燃料，并坍塌成热、超密集的碳和氧混合物。
为了解决EOS模型中与白矮星和各种实验室研究项目相关的极端压力中的分歧，科学家们对一种称为"热DQ"的异常白矮星外碳层条件下物质进行了首次实验室研究。
这项研究使固体烃样品承受的压力范围为100至450兆巴（是地球大气压力的100至4.5亿倍），以确定“热DQ”的对流层中的EOS（压力与压缩之间的关系）。这些是实验室EOS测量中达到的最高压力。
论文的主要作者劳伦斯·利弗莫尔国家实验室物理学家安妮·克里彻尔说：“白矮星提供了对恒星物理模型的重要检验，但是在这些极端条件下的EOS模型基本上没有经过检验。”
克里彻尔补充说：“ NIF可以复制从行星和褐矮星的核心到太阳中心的各种条件。” “我们还能够在NIF实验中推断出沿休格尼奥特冲击的不透明性（Hugoniot曲线是在强震压下材料压力和密度增加的曲线图。）这是研究恒星结构演化的必要组成部分。”
“热DQ”的大气主要由碳组成，而不像大多数白矮星那样由氢和氦组成，并且异常热而明亮。由于表面上的磁场点，一些传感器在旋转时也会脉动，从而提供可见的亮度变化。研究人员说，分析这些变异“为白矮星模型提供了严格的测试，并为恒星演化后期阶段的结果提供了详细的图片。”
他们补充说，然而，与亿万个大气压下的白矮星有关的当前EOS模型可能相差近10％，“对于恒星演化模型来说，这是一个很大的不确定性。”克里彻尔说，以前的研究人员将其称为“本构物理学中最薄弱的环节”，为白矮星建模提供了信息。
NIF研究可以通过提供第一个EOS数据来解决差异，该数据可以到达“热DQ”对流区深处的条件，该区域的模型显示出最大的变化性。实验结果与EOS模型一致，该模型认识到极端压力可以在多大程度上将内壳电子从其碳原子剥离，从而降低了不透明性并提高了所得电离等离子体的可压缩性。
“ NIF发现科学计划使我们来自大学，国家实验室和行业的多元化研究人员团队能够长期合作，从根本上了解物质在最极端的压力和温度下的行为。” 法尔科内说，“ NIF是世界上唯一能够创建和探测这些条件的设施，其专家支持团队是我们成功的关键。本文着重强调了这种合作的力量，并为基础研究如何在许多领域找到应用提供了证据，包括天体物理学。”
在EOS实验中，NIF的激光器将110万焦耳的紫外光传递到了一支铅笔大小的空心金筒（称为hohlraum）的内部，形成了均匀的X射线“浴”，峰值辐射温度接近350万度。 X射线被安装在中心的固体塑料球吸收。
该塑料被X射线加热并烧蚀，或像火箭废气一样被吹散，产生烧蚀压力，并以每秒150至220公里的速度向目标胶囊中心发射会聚的冲击波。这些冲击合并成一个更强大的冲击，其压力接近地球大气的十亿倍。
研究人员使用时间和空间分辨的条纹X射线射线照相技术确定了Hugoniot（激波前沿的密度和压力）。对于在低温和环境温度下进行的实验（产生不同的初始起始密度）和变化的激光脉冲形状，研究显示出一致的结果。他们还通过X射线Thomson散射测量了大块电击材料的电子温度和电离度。
“我们测量了在高压下不透明度的降低，这与碳内壳的明显电离有关。”克里彻尔说， “沿着Hugoniot的压力范围对应于白矮星的碳包层中的条件。我们的数据与状态方程模型一致，其中包括详细的电子壳结构。”
她说，与缺乏电子外壳的模型相比，这些模型“在Hugoniot中表现出更大的弯曲度和更高的最大压缩率，”这暗示着EOS的“软化”。由于这种“压力电离”，导致压缩增加。
研究人员总结说，实验数据可以为脉动热的DQ恒星提供更好的模型，并可以更准确地确定其内部结构、脉动特性、光谱演化和复杂的起源。
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