Forskere afslører oprindelseshistorien for kulstof-12, en byggesten for livet

Ved hjælp af verdens mest kraftfulde supercomputer og nye kunstig intelligens-teknikker har et internationalt hold af forskere teoretiseret, hvordan de ekstreme forhold i stjerner producerer kulstof-12, som de beskriver som "en kritisk port til livets fødsel".

Forskernes grundlæggende spørgsmål var "hvordan producerer kosmos kulstof-12?" sagde James Vary, professor i fysik og astronomi ved Iowa State University og mangeårigt medlem af forskningssamarbejdet.

"Det viser sig, at det ikke er let at producere kulstof-12," sagde Vary.

Det kræver den ekstreme varme og det ekstreme tryk inde i stjerner eller i stjernekollisioner og eksplosioner for at skabe nye, ustabile kulstofkerner i exciteret tilstand med tre løst forbundne klumper, hver med to protoner og to neutroner. En brøkdel af disse ustabile kulstofkerner kan skyde lidt ekstra energi af i form af gammastråler og blive stabil kulstof-12, livets ting.

Et papir for nylig udgivet af Nature Communications beskriver forskernes supercomputersimuleringer og deraf følgende teori for kulstoffets nukleare struktur, der begunstiger dets dannelse i kosmos.

Artiklen beskriver, hvordan alfapartikler - helium-4-atomer med to protoner og to neutroner - kan klynge sig sammen for at danne meget tungere atomer, herunder en ustabil, exciteret kulstof-12-tilstand kendt som Hoyle-tilstanden (forudsagt af den teoretiske astrofysiker Fred Hoyle i 1953) som en forløber for livet, som vi kender det).

Forskerne skriver, at denne alfapartikelklynger "er en meget smuk og fascinerende idé og faktisk er plausibel, fordi (alfa)partiklen er særlig stabil med en stor bindingsenergi."

For at teste teorien kørte forskerne supercomputersimuleringer, herunder beregninger på Fugaku-supercomputeren på RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan. Fugaku er listet som den mest kraftfulde supercomputer i verden og er tre gange stærkere end nr. 2, ifølge de seneste TOP500 supercomputer-rangeringer.

Vary sagde, at forskerne også udførte deres arbejde ab initio eller fra de første principper, hvilket betyder, at deres beregninger var baseret på kendt videnskab og ikke inkluderede yderligere antagelser eller parametre.

De udviklede også teknikker inden for statistisk læring, en gren af ​​beregningsmæssig kunstig intelligens, for at afsløre alfa-klyngning af Hoyle-tilstanden og den eventuelle produktion af stabil kulstof-12.

Vary sagde, at holdet har arbejdet i mere end et årti på at udvikle sin software, forfine sine supercomputerkoder, køre sine beregninger og finde ud af mindre problemer, mens man bygger op til det nuværende arbejde.

"Der er en masse subtilitet - en masse smukke interaktioner foregår derinde," sagde Vary.

Alle beregninger, fysiske mængder og teoretisk subtilitet matcher de eksperimentelle data, der er i dette hjørne af kernefysikken, skrev forskerne.

Så de tror, ​​de har nogle grundlæggende svar om oprindelsen af ​​kulstof-12. Vary sagde, at det burde føre til flere undersøgelser, der leder efter "fine detaljer" om processen, og hvordan den fungerer.

Var kulstofproduktionen for eksempel mest et resultat af interne processer i stjerner? spurgte Vary. Eller var det supernovastjerneeksplosioner? Eller kollisioner af supertætte neutronstjerner?

En ting er nu klar for forskerne:"Denne nukleosyntese i ekstreme miljøer producerer en masse ting," sagde Vary, "inklusive kulstof." + Udforsk yderligere

Findes der alfapartikelkondensater i iltkerner?