Modellering af elementernes oprindelseshistorie

For mere end 1800 år siden, Kinesiske astronomer undrede sig over det pludselige udseende af en lysende "gæstestjerne" på himlen, uvidende om, at de var vidne til den kosmiske smedje af en supernova, en begivenhed gentaget utallige gange spredt ud over universet.

I dag, med mere end et årtusinde af observationer og et betydeligt mere kraftfuldt værktøj, Jordbundne forskere bruger nogle af de mest avancerede computere i verden til at sammensætte de indre mekanismer af disse himmelfænomener og den rolle, de spiller i skabelsen af ​​elementerne.

"Det grundlæggende problem med astrofysik, sammenlignet med andre fysikområder, får vi ikke designet vores eksperimenter, " sagde Raph Hix, en beregningsastrofysiker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. "Moder Natur udfører periodisk et eksperiment efter vores opfattelse, og vi ræser om at indsamle de oplysninger, vi kan."

Hix og andre ORNL-astrofysikere konstruerer modeller ved hjælp af avancerede supercomputere til at simulere sammenbrud og eksplosion af massive stjerner, der er mere end ti gange vores sols masse, og forstår, hvordan supernovaer skaber nye kemiske grundstoffer gennem en proces kendt som nukleosyntese.

"Opgaven med at modellere, især inden for astrofysik, er at bygge en model, der matcher observationerne, så kommer vi til at tage et dybt dyk indenfor og se på detaljerne i begivenheden, som er umulige at se, fordi eksplosionen sker et megaparsekund væk, og vi sidder fast på ét sted, " sagde Hix.

For at hjælpe med at overvinde den begrænsede opfattelse, der pålægges store afstande, astrofysikere er afhængige af et væld af observations- og eksperimentelle data for at sammenligne med disse multidimensionelle modeller af en supernovas fysik. Observationerne inkorporerer fotometri og spektre indsamlet fra optiske, ultraviolet, røntgen- og gammastråleteleskoper, og endda inkludere data om isotopiske signaturer opnået fra undersøgelsen af ​​stumper af stjernestøv udvundet fra meteoritter, kendt som præsolar korn, skabt i eksplosioner før dannelsen af ​​vores solsystem. Ved at sammenligne modeller med dette utal af observationer, Hix og hans kolleger er i stand til at udforske nukleosynteseprocessen, og hvordan supernovaer hjalp med at skabe de tunge grundstoffer og isotoper omkring os.

"I sidste ende, Jeg vender altid tilbage til dannelsen af ​​elementerne. At forstå, hvordan det sker, er irrationelt fascinerende for mig, " sagde Hix.

Denne fascination begyndte under hans tid på University of Maryland, hvor han studerede fysik, astronomi og matematik. Før foredrag en dag, Hix begyndte at læse om grundstoffernes oprindelse og blev henrykt over, hvordan de blev dannet og kom på tværs af kosmos.

"Oilten, du trækker vejret lige nu, kom til os, fordi en stjerne 15 eller 20 gange solens masse blæste sig selv i stykker, " sagde han. "Det er en meget personlig forbindelse til universet."

Hix har været hooked lige siden, og hans interesse for nukleosyntese fortsatte gennem sit kandidatarbejde på Harvard og hans tid som postdoc i Texas, før han kom til ORNL i 1997. I dag, han er leder af laboratoriets Teoretical Physics Group, som omfatter både astrofysik og nuklear strukturteori.

"Hvis du vil forstå, hvordan supernovaer skaber elementer, du må hellere have de bedste supernovamodeller du kan få, " sagde han. "Jeg kom til ORNL for at lære mere om supernovaer og bruge det, jeg ved om nukleosyntese og radionuklei sammen."

ORNL skilte sig ud, fordi det ikke kun handlede om teori og nogle af de bedste beregningsmæssige aktiver i verden, Hix sagde, men havde også eksperimentelister ved Hollifield Radioactive Ion Bean Facility interesseret i nukleosyntese, som var åbne for samarbejde.

"Det var en god synergi at have teori og eksperimenter sammen og være et sted, der virkelig værdsatte denne form for astrofysik, " sagde han. "Økosystemet af anvendte matematikere, computational sciences og alle de forskellige former for ekspertise, som du kan få adgang til ved at gå ned ad gangen, er virkelig positivt for den slags arbejde, vi udfører her."

Et økosystem af den størrelse er nødvendigt, når man modellerer noget så massivt og uendeligt komplekst som en supernovaeksplosion. Der er et væld af mikrofysik, der går ind i alle aspekter af modellerne, Hix sagde, atomfysiske data og nukleare reaktionshastigheder, der skal måles i laboratorier, data, som er afgørende for at beregne modellerne og fortolke de spektre, der er indsamlet af teleskoper.

"Supernovaer er grundlæggende et multifysisk cirkus. Det er for meget for en person at holde det hele i hovedet, " sagde han. "Det kræver en landsby at lave en supernovamodel."

Da Hix først ankom til ORNL, de eksisterende modeller simulerede kun dannelsen af ​​neutronstjernen i hjertet af en supernova, men det lykkedes ikke at producere vellykkede supernovaeksplosioner. Selv indtil for omkring 10 år siden, han sagde, de bedste supernovamodeller i verden var stadig kun todimensionelle skiver.

"Forestil dig en kile af en appelsin og udregn kun kilen, så antag, at hver anden del af appelsinen er som den kile, " han sagde.

I løbet af de sidste to årtier, beregningsastrofysikere har arbejdet på at skabe mere sofistikerede multi-dimensionelle modeller, der ville matche med observationer og give dem mulighed for at udforske nukleosynteseprocessen. I dag, moderne computere kan lave fulde tredimensionelle simuleringer med den samme mængde fysik i større og længere skala.

"Forskellene er betydelige, som du kan forestille dig, fordi du ender med en fuldstændig forstyrret stjerne, og at kopiere en kile af det hele vejen rundt har ikke alle frihedsgrader, " sagde Hix.

Med større og hurtigere computere, astrofysikere kunne tillade sig at indsætte mere komplet fysik og forbedre modellens dimensionalitet og opløsning. Traditionelt simulerer modeller kun det første halve sekund af eksplosionen, mens nyere versioner kan køre meget længere og integrere bedre fysik såsom forbedret neutrinotransport og tredimensionel hydrodynamik.

"Det er bare de stykker fysik, vi allerede ved, vi har brug for, meget mindre de andre, som vi ikke har mødt endnu, " sagde Hix.

Ligesom det kræver en landsby at bygge en model, det kræver et internationalt samfund at gøre dem bedre. Astrofysik er et globalt område, Hix sagde, med modelbyggere, der arbejder med andre teoretikere, eksperimentalister, matematikere, astronomer og dataloger for at skaffe nye data og løse hinandens tilsyneladende uløselige problemer.

"Du får følelsen af, at du bidrager til menneskelig viden i størst mulig forstand, " sagde han. "Så meget som forskning handler om at finde ud af ting, ingen ved, halvdelen af ​​processen handler om at fortælle verden, for hvis du ved det, og ingen andre gør det, du er ikke færdig endnu."

Hix gør sit til at vokse forskersamfundet gennem sit arbejde med studerende og tidlige karriereforskere som et fælles fakultetsmedlem ved University of Tennessee. Han nyder at undervise, han sagde, på grund af nysgerrigheden og entusiasme hos de studerende, der er nye på området, og at se disse studerende vokse til sofistikerede forskere, der er i stand til at lære ham noget nyt. Det er de øjeblikke af mentorskab - at lede praktikanter i laboratoriet, at hjælpe kandidatstuderende med deres afhandling – det giver ofte Hix den største følelse af præstation.

"Hver studerende, jeg sender ud i verden, betyder, i en eller anden forstand, Jeg laver mere videnskab, " sagde han. "Det skubber uvidenhedens mørke tilbage, af ikke at forstå vores særlige problem eller andre problemer, som disse elever vælger at angribe."