Экстремальные условия в звездах производят углерод-12, строительного материала жизни
С помощью самого мощного в мире суперкомпьютера и новых методов искусственного интеллекта международная группа исследователей выдвинула теорию о том, как экстремальные условия в звездах производят углерод-12, который они описывают как «важнейший путь к зарождению жизни». Фундаментальный вопрос исследователей заключался в том, «как космос производит углерод-12?» сказал Джеймс Вэри, профессор физики и астрономии в Университете штата Айова и давний участник исследовательского сотрудничества.
Эти компьютерные симуляции показывают структуры углерода-12 в нестабильном, возбужденном состоянии Хойла и в стабильном основном состоянии, материи жизни. Предоставлено: Джеймс Вэри/Университет штата Айова.
«Оказывается, произвести углерод-12 непросто», — сказал Вэри.
Необходима экстремальная температура и давление внутри звезд или при звездных столкновениях и взрывах, чтобы создать возникающие, нестабильные ядра углерода в возбужденном состоянии с тремя слабо связанными сгустками, каждый из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Часть этих нестабильных ядер углерода может испускать немного дополнительной энергии в виде гамма-лучей и становиться стабильным углеродом-12, веществом жизни.
В статье, недавно опубликованной Nature Communications, описывается моделирование исследователей на суперкомпьютере и полученная теория ядерной структуры углерода, которая способствует его образованию в космосе.
В документе описывается, как альфа-частицы — атомы гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами — могут группироваться с образованием гораздо более тяжелых атомов, включая нестабильное возбужденное состояние углерода-12, известное как состояние Хойла (предсказанное астрофизиком-теоретиком Фредом Хойлом в 1953 году) как предшественник жизни, какой мы ее знаем.
Исследователи пишут, что эта кластеризация альфа-частиц «является очень красивой и увлекательной идеей и действительно правдоподобна, потому что (альфа)-частица особенно стабильна с большой энергией связи».
Чтобы проверить теорию, исследователи провели суперкомпьютерное моделирование, включая расчеты на суперкомпьютере Fugaku в Центре вычислительных наук RIKEN в Кобе, Япония. Fugaku считается самым мощным суперкомпьютером в мире и в три раза мощнее, чем № 2, согласно последнему рейтингу суперкомпьютеров TOP500.
Вэри сказал, что исследователи также выполнили свою работу ab initio, или из первых принципов, что означает, что их расчеты были основаны на известной науке и не включали дополнительные предположения или параметры.
Они также разработали методы статистического обучения, ветви вычислительного искусственного интеллекта, чтобы выявить альфа-кластеризацию состояния Хойла и возможное производство стабильного углерода-12.
Вэри сказал, что команда работала более десяти лет, чтобы разработать свое программное обеспечение, усовершенствовать свои коды суперкомпьютера, выполнить свои расчеты и решить более мелкие проблемы, достраивая текущую работу.
«Там много тонкостей — там происходит много красивых взаимодействий», — сказал Вэри.
Все расчеты, физические величины и теоретическая тонкость соответствуют тем экспериментальным данным, которые есть в этом уголке ядерной физики, пишут исследователи.
Поэтому они думают, что у них есть некоторые основные ответы на вопрос о происхождении углерода-12. Вэри сказал, что это должно привести к дополнительным исследованиям в поисках «мелких деталей» о процессе и о том, как он работает.
Было ли образование углерода, например, главным образом результатом внутренних процессов в звездах? — спросил Вари. Или это были взрывы сверхновых звезд? Или столкновения сверхплотных нейтронных звезд?
Теперь исследователям ясно одно: «Этот нуклеосинтез в экстремальных условиях производит много материала, включая углерод», — сказал Вэри.
