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Átomos e moléculas se comportam de maneira muito diferente a temperaturas e pressões extremas. Embora essa matéria extrema não exista naturalmente na Terra, ela existe em abundância no Universo, especialmente nos interiores profundos de planetas e estrelas. Compreender como os átomos reagem sob condições de alta pressão - um campo conhecido como física de alta densidade de energia (HEDP) - fornece aos cientistas insights valiosos sobre os campos da ciência planetária, astrofísica, energia de fusão e segurança nacional.
Uma questão importante no campo da ciência de HED é como a matéria sob condições de alta pressão pode emitir ou absorver radiação de maneiras diferentes da nossa compreensão tradicional.
Em um artigo publicado na Nature Communications , Suxing Hu, um distinto cientista e líder do grupo HEDP Theory Group no Laboratório de Energética a Laser da Universidade de Rochester (LLE), junto com colegas do LLE e da França, aplicou a teoria e os cálculos da física prever a presença de dois novos fenômenos - transição radiativa interespécies (TRI) e quebra da regra de seleção de dipolos - no transporte de radiação em átomos e moléculas sob condições de HEDP. A pesquisa aprimora a compreensão do HEDP e pode levar a mais informações sobre como as estrelas e outros objetos astrofísicos evoluem no Universo.
O que é Transição Radiativa Inespécie (Irt)?
Transição radiativa é um processo físico acontecendo dentro de átomos e moléculas, no qual seu elétron ou elétrons podem "saltar" de diferentes níveis de energia irradiando / emitindo ou absorvendo um fóton. Os cientistas descobrem que, por matéria em nossa vida cotidiana , essas transições radiativas ocorrem principalmente dentro de cada átomo ou molécula individual; o elétron salta entre os níveis de energia pertencentes ao único átomo ou molécula, e o salto normalmente não ocorre entre átomos e moléculas diferentes.
No entanto, Hu e seus colegas prevêem que quando átomos e moléculas são colocados sob condições de HED e são apertados com tanta força que se tornam muito próximos um do outro, as transições radiativas podem envolver átomos e moléculas vizinhos.
"Ou seja, os elétrons agora podem pular dos níveis de energia de um átomo para os de outros átomos vizinhos", diz Hu.
Qual é a regra de seleção de dipolo?
Os elétrons dentro de um átomo têm simetrias específicas. Por exemplo, "elétrons da onda s" são sempre esfericamente simétricos, o que significa que parecem uma bola, com o núcleo localizado no centro atômico; "elétrons da onda p", por outro lado, parecem halteres. As ondas D e outros estados eletrônicos têm formas mais complicadas. As transições radiativas ocorrem principalmente quando o salto de elétrons segue a chamada regra de seleção de dipolos, na qual o elétron saltador muda sua forma de onda s para onda p, de onda p para onda d, etc.
Em condições normais e não extremas, diz Hu, "dificilmente vemos elétrons pulando nas mesmas formas, de onda s para onda s e de onda p para onda p emitindo ou absorvendo fótons".
No entanto, como Hu e seus colegas descobriram, quando os materiais são espremidos com tanta força no exótico estado de HED, a regra de seleção de dipolos geralmente é quebrada.
"Sob condições tão extremas encontradas no centro de estrelas e classes de experimentos de fusão de laboratório, podem ocorrer emissões e absorções de raios-X não dipolo, o que nunca foi imaginado antes", diz Hu.
Usando supercomputadores para estudar Hedp
Os pesquisadores usaram supercomputadores no Centro de Computação Integrada de Pesquisa da Universidade de Rochester (CIRC) e no LLE para conduzir seus cálculos.
"Graças aos tremendos avanços nas tecnologias de laser de alta energia e de energia pulsada, 'trazer estrelas para a Terra' tornou-se realidade nas últimas dez ou duas décadas", diz Hu.
Hu e seus colegas realizaram suas pesquisas usando o cálculo da teoria funcional da densidade (DFT), que oferece uma descrição mecânica quântica das ligações entre átomos e moléculas em sistemas complexos. O método DFT foi descrito pela primeira vez na década de 1960 e foi objeto do Prêmio Nobel de Química de 1998. Os cálculos de DFT foram aprimorados continuamente desde então. Uma dessas melhorias para permitir que os cálculos da DFT envolvam elétrons centrais foi feita por Valentin Karasev, cientista do LLE e co-autor do artigo.
Os resultados indicam que há novas linhas de emissão / absorção aparecendo nos espectros de raios X desses sistemas de matéria extrema, provenientes dos canais anteriormente desconhecidos da TRI e da quebra da regra de seleção de dipolos.
Hu e Philip Nilson, cientista sênior do LLE e co-autor do artigo, estão atualmente planejando experimentos futuros que envolverão o teste dessas novas previsões teóricas nas instalações de laser da OMEGA no LLE. A instalação permite que os usuários criem condições exóticas de HED em escalas de tempo de nanossegundos, permitindo que os cientistas investiguem os comportamentos exclusivos dos assuntos em condições extremas.
"Se provou ser verdade por experimentos, essas novas descobertas mudarão profundamente como o transporte de radiação é atualmente tratado em materiais HED exóticos", diz Hu. "Esses novos canais de emissão e absorção previstos pela DFT nunca foram considerados até agora nos livros didáticos".
Explorar mais
Mais informações: SX Hu et al., Transição radiativa entre espécies em misturas de plasma quentes e superdensas, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-15916-3
Informações da revista: Nature Communications
Fornecido por University of Rochester
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se
membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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