Meer dan 1800 jaar geleden, Chinese astronomen verbaasden zich over de plotselinge verschijning van een heldere "gastster" aan de hemel, niet wetende dat ze getuige waren van de kosmische smederij van een supernova, een gebeurtenis die ontelbare keren wordt herhaald, verspreid over het universum.

Vandaag, met meer dan een millennium aan waarnemingen en een aanzienlijk krachtigere toolkit, Aardgebonden onderzoekers gebruiken enkele van de meest geavanceerde computers ter wereld om de interne mechanismen van deze hemelverschijnselen en de rol die ze spelen bij het ontstaan ​​van de elementen samen te voegen.

"Het fundamentele probleem met astrofysica, in vergelijking met andere natuurkundegebieden, is dat we onze experimenten niet mogen ontwerpen, " zei Raph Hix, een computationele astrofysicus bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. "Moeder Natuur voert naar onze mening periodiek een experiment uit, en we racen om alle informatie te verzamelen die we kunnen."

Hix en andere ORNL-astrofysici construeren modellen met behulp van ultramoderne supercomputers om de ineenstorting en explosie van massieve sterren met meer dan tien keer de massa van onze zon te simuleren en te begrijpen hoe supernova's nieuwe chemische elementen creëren via een proces dat bekend staat als nucleosynthese.

"De baan van het modelleren, vooral in de astrofysica, is het bouwen van een model dat overeenkomt met de waarnemingen, dan kunnen we een diepe duik naar binnen maken en kijken naar de details van de gebeurtenis die onmogelijk te zien zijn omdat de explosie een megaparsec verderop plaatsvindt en we vastzitten op één locatie, ' zei Hex.

Om de beperkte perceptie die wordt opgelegd door grote afstanden te helpen overwinnen, astrofysici vertrouwen op een veelheid aan observationele en experimentele gegevens om te vergelijken met deze multidimensionale modellen van de fysica van een supernova. De waarnemingen omvatten fotometrie en spectra verzameld uit optische, ultraviolet, röntgen- en gammastraling-telescopen, en zelfs gegevens bevatten over isotopensignaturen verkregen uit de studie van stukjes sterrenstof gewonnen uit meteorieten, bekend als presolaire korrels, ontstaan ​​in explosies vóór de vorming van ons zonnestelsel. Door modellen te vergelijken met deze talloze waarnemingen, Hix en zijn collega's zijn in staat om het nucleosyntheseproces te onderzoeken en hoe supernova's hebben bijgedragen aan het creëren van de zware elementen en isotopen om ons heen.

"Aan het einde van de dag, Ik kom altijd terug op de vorming van de elementen. Begrijpen hoe dat gebeurt is irrationeel fascinerend voor mij, ' zei Hex.

Deze fascinatie begon tijdens zijn tijd aan de Universiteit van Maryland, waar hij natuurkunde studeerde, astronomie en wiskunde. Voor de lezing op een dag, Hix begon te lezen over de oorsprong van elementen en raakte in de ban van hoe ze werden gevormd en hun weg door de kosmos baanden.

"De zuurstof die je nu inademt, kwam naar ons omdat een ster met 15 of 20 keer de massa van de zon zichzelf aan stukken blies, " zei hij. "Het is een zeer persoonlijke verbinding met het universum."

Hix is ​​sindsdien verslaafd, en zijn interesse in nucleosynthese zette zich voort tijdens zijn afstudeerwerk aan Harvard en zijn tijd als postdoc in Texas voordat hij in 1997 bij ORNL kwam werken. Vandaag, hij is de leider van de Theoretical Physics Group van het lab, die zowel astrofysica als nucleaire structuurtheorie omvat.

"Als je wilt begrijpen hoe supernova's elementen creëren, je kunt maar beter de beste supernova-modellen hebben die je kunt krijgen, " zei hij. "Ik kwam naar ORNL om meer te leren over supernova's en om samen te gebruiken wat ik weet over nucleosynthese en radionucleï."

ORNL viel op omdat het niet alleen om theorie en enkele van de beste computationele activa ter wereld ging, Hix zei, maar er waren ook experimentatoren van de Hollifield Radioactive Ion Bean Facility die geïnteresseerd waren in nucleosynthese en die openstonden voor samenwerking.

"Het was een mooie synergie om theorie en experimentatoren bij elkaar te hebben en om op een plek te zijn die dit soort astrofysica echt waardeerde, " zei hij. "Het ecosysteem van toegepaste wiskundigen, computationele wetenschappen en alle verschillende soorten expertise waartoe je toegang kunt krijgen door door de gang te lopen, is echt positief voor het soort werk dat we hier doen."

Een ecosysteem van die omvang is nodig bij het modelleren van zoiets enorms en eindeloos complex als een supernova-explosie. Er is een schat aan microfysica die ingaat op elk aspect van de modellen, Hix zei, atoomfysicagegevens en kernreactiesnelheden die in laboratoria moeten worden gemeten, gegevens die essentieel zijn voor het berekenen van de modellen en het interpreteren van de door telescopen verzamelde spectra.

"Supernova's zijn in wezen een multifysisch circus. Het is teveel voor één persoon om alles in zijn hoofd te houden, ' zei hij. 'Er is een dorp voor nodig om een ​​supernovamodel te maken.'

Toen Hix voor het eerst bij ORNL aankwam, de bestaande modellen simuleerden alleen de vorming van de neutronenster in het hart van een supernova, maar slaagde er niet in succesvolle supernova-explosies te produceren. Zelfs tot ongeveer 10 jaar geleden, hij zei, de beste supernova-modellen ter wereld waren nog steeds slechts tweedimensionale plakjes.

"Stel je een wig van een sinaasappel voor en bereken alleen de wig, neem dan aan dat elk ander deel van de sinaasappel is zoals die wig, " hij zei.

In de afgelopen twee decennia, computationele astrofysici hebben gewerkt aan het creëren van meer geavanceerde multidimensionale modellen die overeenkomen met waarnemingen en hen in staat stellen het nucleosyntheseproces te verkennen. Vandaag, moderne computers kunnen volledige driedimensionale simulaties doen met dezelfde hoeveelheid natuurkunde op een grotere en langere schaal.

“De verschillen zijn groot, zoals u zich kunt voorstellen, omdat je eindigt met een volledig verstoorde ster, en het helemaal repliceren van een deel ervan heeft niet alle vrijheidsgraden, ' zei Hex.

Met grotere en snellere computers, astrofysici konden het zich veroorloven om completere fysica in te voeren en de dimensionaliteit en resolutie van het model te verbeteren. Traditioneel simuleren modellen alleen de eerste halve seconde van de explosie, terwijl nieuwere versies veel langer kunnen werken en betere fysica kunnen integreren, zoals verbeterd neutrinotransport en driedimensionale hydrodynamica.

"Dat zijn gewoon de stukjes natuurkunde waarvan we al weten dat we ze nodig hebben, laat staan ​​de andere die we nog niet zijn tegengekomen, ' zei Hex.

Net zoals er een dorp nodig is om een ​​model te bouwen, er is een internationale gemeenschap voor nodig om ze beter te maken. Astrofysica is een mondiaal veld, Hix zei, met modelbouwers die samenwerken met andere theoretici, experimentatoren, wiskundigen, astronomen en computerwetenschappers om nieuwe gegevens te verkrijgen en elkaars schijnbaar hardnekkige problemen op te lossen.

"Je krijgt het gevoel dat je bijdraagt ​​aan de menselijke kennis in de grootst mogelijke zin, "zei hij. "Zoveel als onderzoek gaat over het uitzoeken van dingen die niemand weet, de helft van het proces gaat over het de wereld vertellen, want als jij het weet en niemand anders weet het, je bent nog niet klaar."

Hix draagt ​​zijn steentje bij om de onderzoeksgemeenschap te laten groeien door zijn werk met studenten en vroege onderzoekers als een gezamenlijk faculteitslid aan de Universiteit van Tennessee. Hij geniet van lesgeven, hij zei, vanwege de nieuwsgierigheid en het enthousiasme van de studenten die nieuw zijn in het veld en om te zien hoe die studenten uitgroeien tot geavanceerde onderzoekers die hem iets nieuws kunnen leren. Het zijn die momenten van mentorschap - het leiden van stagiaires in het laboratorium, het helpen van afgestudeerde studenten met hun proefschrift - dat geeft Hix vaak het grootste gevoel van voldoening.

"Elke student die ik de wereld instuur, betekent:In zekere zin, Ik doe meer wetenschap, "zei hij. "Het verdringt de duisternis van onwetendheid, van het niet begrijpen van ons specifieke probleem of andere problemen die deze studenten verkiezen aan te vallen."