Queste simulazioni al computer mostrano le strutture del carbonio-12 nello stato instabile ed eccitato di Hoyle e come stato fondamentale stabile, la sostanza della vita. Credito:James Vary/Iowa State University
Con l'aiuto del supercomputer più potente del mondo e delle nuove tecniche di intelligenza artificiale, un team internazionale di ricercatori ha teorizzato come le condizioni estreme nelle stelle producano carbonio-12, che descrivono come "una porta fondamentale per la nascita della vita".
La domanda fondamentale dei ricercatori era "come fa il cosmo a produrre carbonio-12?" ha affermato James Vary, professore di fisica e astronomia alla Iowa State University e membro di lunga data della collaborazione di ricerca.
"Si scopre che non è facile produrre carbonio-12", ha detto Vary.
Occorrono il calore e le pressioni estreme all'interno delle stelle o nelle collisioni stellari e nelle esplosioni per creare nuclei di carbonio emergenti, instabili e allo stato eccitato con tre gruppi debolmente collegati, ciascuno con due protoni e due neutroni. Una frazione di quei nuclei di carbonio instabili può emettere un po' di energia extra sotto forma di raggi gamma e diventare carbonio-12 stabile, la sostanza della vita.
Un documento recentemente pubblicato da Nature Communications descrive le simulazioni del supercomputer dei ricercatori e la teoria risultante per la struttura nucleare del carbonio che favorisce la sua formazione nel cosmo.
L'articolo descrive come le particelle alfa - atomi di elio-4, con due protoni e due neutroni - possono raggrupparsi per formare atomi molto più pesanti, incluso uno stato di carbonio-12 instabile ed eccitato noto come stato di Hoyle (previsto dall'astrofisico teorico Fred Hoyle nel 1953 come precursore della vita come la conosciamo).
I ricercatori scrivono che questo raggruppamento di particelle alfa "è un'idea molto bella e affascinante ed è davvero plausibile perché la particella (alfa) è particolarmente stabile con una grande energia di legame".
Per testare la teoria, i ricercatori hanno eseguito simulazioni di supercomputer, inclusi calcoli sul supercomputer Fugaku presso il RIKEN Center for Computational Science di Kobe, in Giappone. Fugaku è elencato come il supercomputer più potente al mondo ed è tre volte più potente del n. 2, secondo l'ultima classifica dei supercomputer TOP500.
Vary ha affermato che i ricercatori hanno anche svolto il loro lavoro ab initio, o dai primi principi, il che significa che i loro calcoli erano basati su scienza nota e non includevano ipotesi o parametri aggiuntivi.
Hanno anche sviluppato tecniche di apprendimento statistico, una branca dell'intelligenza artificiale computazionale, per rivelare il raggruppamento alfa dello stato di Hoyle e l'eventuale produzione di carbonio-12 stabile.
Vary ha affermato che il team ha lavorato per più di un decennio per sviluppare il suo software, perfezionare i codici del suo supercomputer, eseguire i suoi calcoli ed elaborare problemi più piccoli mentre si preparava al lavoro attuale.
"C'è molta sottigliezza, molte belle interazioni che accadono lì dentro", ha detto Vary.
Tutti i calcoli, le quantità fisiche e la sottigliezza teorica corrispondono ai dati sperimentali che ci sono in questo angolo della fisica nucleare, hanno scritto i ricercatori.
Quindi pensano di avere alcune risposte di base sulle origini del carbonio-12. Vary ha affermato che ciò dovrebbe portare a più studi alla ricerca di "dettagli a grana fine" sul processo e su come funziona.
La produzione di carbonio, ad esempio, era principalmente il risultato di processi interni nelle stelle? Vari chiesto. O sono state esplosioni di stelle di supernova? O collisioni di stelle di neutroni superdense?
Una cosa è ora chiara ai ricercatori:"Questa nucleosintesi in ambienti estremi produce molte cose", ha detto Vary, "compreso il carbonio". + Esplora ulteriormente
