För mer än 1800 år sedan, Kinesiska astronomer förbryllade över det plötsliga utseendet av en ljus "gäststjärna" på himlen, omedvetna om att de bevittnade den kosmiska smedjan av en supernova, en händelse som upprepas otaliga gånger spridd över universum.

I dag, med mer än ett årtusende av observationer och en betydligt kraftfullare verktygslåda, Jordbundna forskare använder några av de mest avancerade datorerna i världen för att sätta ihop de inre mekanismerna för dessa himmelska fenomen och den roll de spelar i skapandet av elementen.

"Det grundläggande problemet med astrofysik, jämfört med andra fysikområden, får vi inte designa våra experiment, sa Raph Hix, en beräkningsastrofysiker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. "Moder Natur genomför periodvis ett experiment enligt vår uppfattning, och vi tävlar för att samla in all information vi kan."

Hix och andra ORNL-astrofysiker konstruerar modeller med hjälp av toppmoderna superdatorer för att simulera kollapsen och explosionen av massiva stjärnor som är mer än tio gånger vår sols massa och förstå hur supernovor skapar nya kemiska grundämnen genom en process som kallas nukleosyntes.

"Jobben att modellera, speciellt inom astrofysik, är att bygga en modell som matchar observationerna, sedan får vi göra en djupdykning inuti och titta på detaljerna i händelsen som är omöjliga att se eftersom explosionen sker ett megaparsek bort och vi sitter fast på en plats, " sa Hix.

För att hjälpa till att övervinna den begränsade uppfattning som påtvingas av stora avstånd, astrofysiker förlitar sig på en mängd observations- och experimentdata för att jämföra med dessa multidimensionella modeller av en supernovas fysik. Observationerna inkluderar fotometri och spektra insamlade från optiska, ultraviolett, Röntgen- och gammastråleteleskop, och även inkludera data om isotopiska signaturer som erhållits från studien av bitar av stjärndamm som extraherats från meteoriter, känd som presolar korn, skapade i explosioner innan vårt solsystem bildades. Genom att jämföra modeller mot denna myriad av observationer, Hix och hans kollegor kan utforska nukleosyntesprocessen och hur supernovor hjälpte till att skapa de tunga elementen och isotoperna omkring oss.

"Vid slutet av dagen, Jag kommer alltid tillbaka till bildningen av elementen. Att förstå hur det händer är irrationellt fascinerande för mig, " sa Hix.

Denna fascination började under hans tid vid University of Maryland, där han studerade fysik, astronomi och matematik. Före föreläsningen en dag, Hix började läsa om grundämnenas ursprung och blev hänförd över hur de bildades och tog sig över kosmos.

"Syret du andas just nu kom till oss eftersom en stjärna 15 eller 20 gånger solens massa sprängde sig själv i bitar, " sa han. "Det är en väldigt personlig koppling till universum."

Hix har varit fast sedan dess, och hans intresse för nukleosyntes fortsatte genom hans doktorandarbete vid Harvard och hans tid som postdoc i Texas innan han började på ORNL 1997. Idag, han är ledare för labbets grupp för teoretisk fysik, som omfattar både astrofysik och kärnstrukturteori.

"Om du vill förstå hur supernovor skapar element, det är bättre att du har de bästa supernovamodellerna du kan få, " sa han. "Jag kom till ORNL för att lära mig mer om supernovor och använda det jag vet om nukleosyntes och radiokärnor tillsammans."

ORNL stack ut eftersom det inte bara handlade om teori och några av de bästa beräkningstillgångarna i världen, Hix sa, men hade också experimentalister vid Hollifield Radioactive Ion Bean Facility intresserade av nukleosyntes som var öppna för samarbete.

"Det var en trevlig synergi att ha teorier och experimentalister tillsammans och att vara på en plats som verkligen värderade den här typen av astrofysik, " sa han. "Ekosystemet för tillämpade matematiker, beräkningsvetenskap och alla de olika typer av expertis som du kan få tillgång till genom att gå ner i korridoren är verkligen positivt för den typ av arbete vi utför här."

Ett ekosystem av den storleken behövs när man modellerar något så massivt och oändligt komplext som en supernovaexplosion. Det finns en mängd mikrofysik som går in i alla aspekter av modellerna, Hix sa, atomfysikdata och kärnreaktionshastigheter som måste mätas i laboratorier, data som är väsentliga för att beräkna modellerna och tolka de spektra som samlas in av teleskop.

"Supernovor är i grunden en multifysisk cirkus. Det är för mycket för en person att ha allt i huvudet, " sa han. "Det krävs en by för att göra en supernovomodell."

När Hix först anlände till ORNL, de befintliga modellerna simulerade bara bildandet av neutronstjärnan i hjärtat av en supernova, men misslyckades med att producera framgångsrika supernovaexplosioner. Till och med för cirka 10 år sedan, han sa, de bästa supernovamodellerna i världen var fortfarande bara tvådimensionella skivor.

"Föreställ dig en kil av en apelsin och beräkna bara kilen, anta sedan att varannan del av apelsinen är som den där kilen, " han sa.

Under de senaste två decennierna, Beräkningsastrofysiker har arbetat för att skapa mer sofistikerade flerdimensionella modeller som skulle matcha observationer och låta dem utforska nukleosyntesprocessen. I dag, moderna datorer kan göra fullständiga tredimensionella simuleringar med samma mängd fysik i större och längre skala.

"Skillnaderna är betydande, som du kan föreställa dig, eftersom du slutar med en helt störd stjärna, och att replikera en kil av det hela vägen runt har inte alla grader av frihet, " sa Hix.

Med större och snabbare datorer, astrofysiker hade råd att lägga in mer komplett fysik och förbättra modellens dimensionalitet och upplösning. Traditionellt simulerar modeller bara den första halvsekunden av explosionen, medan nyare versioner kan köras mycket längre och integrera bättre fysik som förbättrad neutrinotransport och tredimensionell hydrodynamik.

"Det är bara de bitar av fysik vi redan vet att vi behöver, mycket mindre de andra som vi inte har mött ännu, " sa Hix.

Precis som det krävs en by för att bygga en modell, det krävs ett internationellt samfund för att göra dem bättre. Astrofysik är ett globalt område, Hix sa, med modellare som arbetar med andra teoretiker, experimentalister, matematiker, astronomer och datavetare för att skaffa nya data och lösa varandras till synes svårlösta problem.

"Du får en känsla av att du bidrar till mänsklig kunskap i största möjliga mening, " sa han. "Så mycket som forskning handlar om att ta reda på saker som ingen vet, hälften av processen handlar om att berätta för världen för om du vet det och ingen annan gör det, du är inte klar än."

Hix gör sin del för att växa forskarsamhället genom sitt arbete med studenter och forskare i tidiga karriärer som en gemensam fakultetsmedlem vid University of Tennessee. Han tycker om att undervisa, han sa, på grund av nyfikenheten och entusiasmen hos de studenter som är nya på området och att se dessa studenter växa till sofistikerade forskare som kan lära honom något nytt. Det är dessa ögonblick av mentorskap – att leda praktikantgrupper på labbet, att hjälpa doktorander med sin avhandling – vilket ofta ger Hix den största känslan av prestation.

"Varje student jag skickar ut i världen betyder, på något vis, Jag håller på med mer vetenskap, " sa han. "Det trycker tillbaka okunnighetens mörker, att inte förstå vårt specifika problem eller andra problem som dessa elever väljer att attackera."