Più di 1800 anni fa, Gli astronomi cinesi perplessi per l'improvvisa apparizione di una luminosa "stella ospite" nel cielo, ignari di assistere alla fucina cosmica di una supernova, un evento ripetuto innumerevoli volte sparsi per l'universo.

Oggi, con più di un millennio di osservazioni e un toolkit significativamente più potente, I ricercatori terrestri utilizzano alcuni dei computer più avanzati al mondo per mettere insieme i meccanismi interni di questi fenomeni celesti e il ruolo che svolgono nella creazione degli elementi.

"Il problema fondamentale con l'astrofisica, rispetto ad altri campi della fisica, è che non riusciamo a progettare i nostri esperimenti, " ha detto Raph Hix, un astrofisico computazionale presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy. "Madre Natura conduce periodicamente un esperimento a nostro avviso, e corriamo per raccogliere tutte le informazioni possibili".

Hix e altri astrofisici dell'ORNL costruiscono modelli utilizzando supercomputer all'avanguardia per simulare il collasso e l'esplosione di stelle massicce con una massa dieci volte maggiore del nostro sole e capire come le supernove creano nuovi elementi chimici attraverso un processo noto come nucleosintesi.

"Il lavoro di modella, soprattutto in astrofisica, è costruire un modello che corrisponda alle osservazioni, poi possiamo fare un tuffo profondo dentro e guardare i dettagli dell'evento che sono impossibili da vedere perché l'esplosione sta avvenendo a un megaparsec di distanza e siamo bloccati in un luogo, " disse Hix.

Per aiutare a superare la percezione limitata imposta dalle grandi distanze, gli astrofisici si affidano a una moltitudine di dati osservativi e sperimentali per confrontare questi modelli multidimensionali della fisica di una supernova. Le osservazioni incorporano la fotometria e gli spettri raccolti da ottiche, ultravioletto, Telescopi a raggi X e gamma, e persino includere dati sulle firme isotopiche ottenute dallo studio di frammenti di polvere di stelle estratti da meteoriti, noti come grani presolari, creato in esplosioni prima della formazione del nostro sistema solare. Confrontando i modelli con questa miriade di osservazioni, Hix e i suoi colleghi sono in grado di esplorare il processo di nucleosintesi e come le supernove hanno contribuito a creare gli elementi pesanti e gli isotopi intorno a noi.

"Alla fine del giorno, Torno sempre alla formazione degli elementi. Capire come ciò accade è irrazionalmente affascinante per me, " disse Hix.

Questo fascino iniziò durante il suo periodo all'Università del Maryland, dove si è laureato in fisica, astronomia e matematica. Prima della lezione un giorno, Hix ha iniziato a leggere sull'origine degli elementi ed è rimasto estasiato dal modo in cui si sono formati e si sono fatti strada attraverso il cosmo.

"L'ossigeno che stai respirando in questo momento è arrivato da noi perché una stella 15 o 20 volte la massa del sole si è fatta a pezzi, " ha detto. "È una connessione molto personale con l'universo".

Hix è stato agganciato da allora, e il suo interesse per la nucleosintesi è proseguito attraverso il suo lavoro di laurea ad Harvard e il suo periodo come postdoc in Texas prima di entrare a far parte dell'ORNL nel 1997. Oggi, è il capo del gruppo di fisica teorica del laboratorio, che comprende sia l'astrofisica che la teoria della struttura nucleare.

"Se vuoi capire come le supernove creano gli elementi, è meglio che tu abbia i migliori modelli di supernova che puoi ottenere, " ha detto. "Sono venuto all'ORNL per saperne di più sulle supernove e utilizzare insieme quello che so sulla nucleosintesi e sui radionuclei".

ORNL si è distinto perché non si trattava solo di teoria e di alcune delle migliori risorse computazionali al mondo, Hix ha detto, ma aveva anche sperimentatori presso l'Hollifield Radioactive Ion Bean Facility interessati alla nucleosintesi che erano aperti alla collaborazione.

"È stata una bella sinergia avere teoria e sperimentalisti insieme e trovarsi in un luogo che apprezzava davvero questo tipo di astrofisica, " ha detto. "L'ecosistema dei matematici applicati, le scienze computazionali e tutti i diversi tipi di competenze a cui puoi accedere camminando lungo il corridoio sono un vero vantaggio per il tipo di lavoro che stiamo facendo qui".

Un ecosistema di quelle dimensioni è necessario quando si modella qualcosa di così massiccio e infinitamente complesso come un'esplosione di supernova. C'è una ricchezza di microfisica che va in ogni aspetto dei modelli, Hix ha detto, dati di fisica atomica e velocità di reazione nucleare che devono essere misurati in laboratorio, dati essenziali per il calcolo dei modelli e l'interpretazione degli spettri raccolti dai telescopi.

"Le supernovae sono fondamentalmente un circo multifisico. È troppo per una persona tenersi tutto nella propria testa, " ha detto. "Ci vuole un villaggio per fare un modello di supernova".

Quando Hix è arrivato per la prima volta all'ORNL, i modelli esistenti simulavano solo la formazione della stella di neutroni nel cuore di una supernova, ma non è riuscito a produrre esplosioni di supernova di successo. Anche fino a circa 10 anni fa, Egli ha detto, i migliori modelli di supernova al mondo erano ancora solo fette bidimensionali.

"Immagina una fetta di un'arancia e calcola solo la fetta, quindi supponi che ogni altra parte dell'arancia sia come quel cuneo, " Egli ha detto.

Negli ultimi due decenni, gli astrofisici computazionali hanno lavorato per creare modelli multidimensionali più sofisticati che corrispondessero alle osservazioni e consentissero loro di esplorare il processo di nucleosintesi. Oggi, i computer moderni possono eseguire simulazioni tridimensionali complete con la stessa quantità di fisica su una scala più ampia e più lunga.

"Le differenze sono significative, come puoi immaginare, perché ti ritrovi con una stella completamente sconvolta, e replicarne un cuneo tutt'intorno non ha tutti i gradi di libertà, " disse Hix.

Con computer più grandi e più veloci, gli astrofisici potrebbero permettersi di inserire una fisica più completa e migliorare la dimensionalità e la risoluzione del modello. Tradizionalmente i modelli simulano solo il primo mezzo secondo dell'esplosione, mentre le versioni più recenti possono durare molto più a lungo e integrare una fisica migliore come il trasporto dei neutrini migliorato e l'idrodinamica tridimensionale.

"Sono solo i pezzi di fisica di cui già sappiamo di aver bisogno, tanto meno gli altri che non abbiamo ancora incontrato, " disse Hix.

Proprio come ci vuole un villaggio per costruire un modello, ci vuole una comunità internazionale per renderli migliori. L'astrofisica è un campo globale, Hix ha detto, con modellisti che lavorano con altri teorici, sperimentalisti, matematici, astronomi e informatici per ottenere nuovi dati e risolvere i reciproci problemi apparentemente intrattabili.

"Hai la sensazione di contribuire alla conoscenza umana nel senso più ampio possibile, " ha detto. "Per quanto la ricerca riguardi capire cose che nessuno sa, metà del processo consiste nel raccontare il mondo perché se lo conosci tu e nessun altro lo sa, non hai ancora finito."

Hix fa la sua parte per far crescere la comunità di ricerca attraverso il suo lavoro con studenti e ricercatori all'inizio della carriera come membro di facoltà congiunto presso l'Università del Tennessee. Gli piace insegnare, Egli ha detto, a causa della curiosità e dell'entusiasmo degli studenti nuovi al campo e guardando quegli studenti diventare ricercatori sofisticati in grado di insegnargli qualcosa di nuovo. Sono quei momenti di tutoraggio:guidare gruppi di stagisti in laboratorio, aiutare gli studenti universitari con la loro tesi, che spesso danno a Hix il massimo senso di realizzazione.

"Ogni studente che mando nel mondo significa, in un certo senso, sto facendo più scienza, " ha detto. "Sta respingendo l'oscurità dell'ignoranza, di non capire il nostro problema particolare o altri problemi che questi studenti scelgono di attaccare."