Met behulp van 's werelds krachtigste supercomputer en nieuwe kunstmatige-intelligentietechnieken heeft een internationaal team van onderzoekers getheoretiseerd hoe de extreme omstandigheden in sterren koolstof-12 produceren, dat ze omschrijven als 'een cruciale toegangspoort tot de geboorte van leven'.

De fundamentele vraag van de onderzoekers was "hoe produceert de kosmos koolstof-12?" zei James Vary, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University en een oud lid van de onderzoekssamenwerking.

"Het blijkt niet eenvoudig te zijn om koolstof-12 te produceren," zei Vary.

De extreme hitte en druk in sterren of bij stellaire botsingen en explosies zijn nodig om opkomende, onstabiele koolstofkernen in aangeslagen toestand te creëren met drie losjes verbonden klompjes, elk met twee protonen en twee neutronen. Een fractie van die onstabiele koolstofkernen kan een beetje extra energie afschieten in de vorm van gammastralen en stabiel koolstof-12 worden, het spul van het leven.

Een paper onlangs gepubliceerd door Nature Communications beschrijft de supercomputersimulaties van de onderzoekers en de resulterende theorie voor de nucleaire structuur van koolstof die de vorming ervan in de kosmos bevordert.

Het artikel beschrijft hoe alfadeeltjes - helium-4-atomen, met twee protonen en twee neutronen - kunnen clusteren om veel zwaardere atomen te vormen, waaronder een onstabiele, aangeslagen koolstof-12-toestand die bekend staat als de Hoyle-toestand (voorspeld door theoretisch astrofysicus Fred Hoyle in 1953 als een voorloper van het leven zoals we het kennen).

De onderzoekers schrijven dat deze clustering van alfadeeltjes "een heel mooi en fascinerend idee is en inderdaad aannemelijk is omdat het (alfa)deeltje bijzonder stabiel is met een grote bindingsenergie."

Om de theorie te testen, voerden de onderzoekers supercomputersimulaties uit, inclusief berekeningen op de Fugaku-supercomputer in het RIKEN Center for Computational Science in Kobe, Japan. Fugaku wordt vermeld als de krachtigste supercomputer ter wereld en is drie keer krachtiger dan nr. 2, volgens de laatste TOP500-ranglijst voor supercomputers.

Vary zei dat de onderzoekers hun werk ook ab initio deden, of vanuit de eerste principes, wat betekent dat hun berekeningen gebaseerd waren op bekende wetenschap en geen aanvullende aannames of parameters bevatten.

Ze ontwikkelden ook technieken voor statistisch leren, een tak van computationele kunstmatige intelligentie, om alfaclustering van de Hoyle-toestand en de uiteindelijke productie van stabiele koolstof-12 te onthullen.

Vary zei dat het team al meer dan tien jaar heeft gewerkt aan de ontwikkeling van zijn software, het verfijnen van de supercomputercodes, het uitvoeren van berekeningen en het oplossen van kleinere problemen terwijl het zich opbouwde naar het huidige werk.

"Er is veel subtiliteit - er vinden veel mooie interacties plaats", zei Vary.

Alle berekeningen, fysieke hoeveelheden en theoretische subtiliteit komen overeen met de experimentele gegevens in deze hoek van de kernfysica, schreven de onderzoekers.

Dus ze denken dat ze een aantal fundamentele antwoorden hebben over de oorsprong van koolstof-12. Vary zei dat dit zou moeten leiden tot meer studies op zoek naar "fijnkorrelig detail" over het proces en hoe het werkt.

Was koolstofproductie bijvoorbeeld vooral het resultaat van interne processen in sterren? vroeg Variëteit. Of waren het supernova-sterexplosies? Of botsingen van superdichte neutronensterren?

Eén ding is de onderzoekers nu duidelijk:"Deze nucleosynthese in extreme omgevingen produceert veel dingen", zei Vary, "inclusief koolstof." + Verder verkennen

Bestaan ​​er condensaten van alfadeeltjes in zuurstofkernen?