Dessa datorsimuleringar visar strukturerna för kol-12 i det instabila, exciterade Hoyle-tillståndet och som ett stabilt marktillstånd, livets grejer. Kredit:James Vary/Iowa State University
Med hjälp av världens kraftfullaste superdator och nya artificiella intelligenstekniker har ett internationellt team av forskare teoretiserat hur de extrema förhållandena i stjärnor producerar kol-12, som de beskriver som "en kritisk inkörsport till livets födelse".
Forskarnas grundläggande fråga var "hur producerar kosmos kol-12?" sa James Vary, professor i fysik och astronomi vid Iowa State University och en mångårig medlem av forskningssamarbetet.
"Det visar sig att det inte är lätt att producera kol-12," sa Vary.
Det krävs extrem värme och tryck inuti stjärnor eller vid stjärnkollisioner och explosioner för att skapa nya, instabila kolkärnor i exciterat tillstånd med tre löst sammanlänkade klumpar, var och en med två protoner och två neutroner. En bråkdel av dessa instabila kolkärnor kan skjuta av sig lite extra energi i form av gammastrålar och bli stabilt kol-12, livets grejer.
En artikel nyligen publicerad av Nature Communications beskriver forskarnas superdatorsimuleringar och resulterande teori för kolets kärnstruktur som gynnar dess bildning i kosmos.
Uppsatsen beskriver hur alfapartiklar – helium-4-atomer, med två protoner och två neutroner – kan klustras för att bilda mycket tyngre atomer, inklusive ett instabilt, exciterat kol-12-tillstånd känt som Hoyle-tillståndet (förutspått av den teoretiske astrofysikern Fred Hoyle 1953) som en föregångare till livet som vi känner det).
Forskarna skriver att denna alfapartikelklustring "är en mycket vacker och fascinerande idé och verkligen är rimlig eftersom (alfa)partikeln är särskilt stabil med en stor bindningsenergi."
För att testa teorin körde forskarna superdatorsimuleringar, inklusive beräkningar på superdatorn Fugaku vid RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan. Fugaku är listad som den mest kraftfulla superdatorn i världen och är tre gånger kraftfullare än nr 2, enligt den senaste TOP500 superdatorrankingen.
Vary sa att forskarna också gjorde sitt arbete ab initio, eller från första principer, vilket innebär att deras beräkningar var baserade på känd vetenskap och inte inkluderade ytterligare antaganden eller parametrar.
De utvecklade också tekniker inom statistisk inlärning, en gren av beräkningsbaserad artificiell intelligens, för att avslöja alfa-klustring av Hoyle-tillståndet och den slutliga produktionen av stabilt kol-12.
Vary sa att teamet har arbetat i mer än ett decennium med att utveckla sin programvara, förfina sina superdatorkoder, köra sina beräkningar och reda ut mindre problem samtidigt som man bygger upp till det nuvarande arbetet.
"Det finns mycket subtilitet - många vackra interaktioner som pågår därinne," sa Vary.
Alla beräkningar, fysiska storheter och teoretisk subtilitet matchar vilka experimentella data som finns i det här hörnet av kärnfysik, skrev forskarna.
Så de tror att de har några grundläggande svar om ursprunget till kol-12. Vary sa att det borde leda till fler studier som letar efter "fina detaljer" om processen och hur den fungerar.
Var kolproduktionen till exempel mest ett resultat av interna processer i stjärnor? frågade Vary. Eller var det supernovastjärnexplosioner? Eller kollisioner av supertäta neutronstjärnor?
En sak är nu klar för forskarna:"Denna nukleosyntes i extrema miljöer producerar en massa saker", sa Vary, "inklusive kol." + Utforska vidare
