Der ursprüngliche Kern als Vorbote der Elemente des Lebens

Vor Milliarden von Jahren erschien der gesamte Kohlenstoff, der auf der Erde existiert, in fernen sterbenden Sternen. Zuerst erschien der Kern jedes Atoms in einem geschwollenen Zustand und unter beengten Bedingungen mit einer minimalen Überlebenschance. Von den 2.500 Überlebenden verwandelte sich nur einer in eine stabile Form, die das Leben unterstützen kann.

Martin Freer, Kernphysiker und -praktiker an der Universität von Birmingham, sagte, das Verständnis der Struktur von Atomkernen würde helfen, die Häufigkeit und die Mechanismen der Umwandlung in andere Zustände zu erklären, aus denen viele andere Elemente im Universum hervorgehen. Berechnungen helfen dabei, die Existenz des Hoyle-Zustands zu erklären und herauszufinden, wie genau das Universum auf die Entstehung des Lebens zugeschnitten ist. "Wenn Hoyles Zustand nicht existieren würde, gäbe es uns nicht, und wenn seine Energie noch ein bisschen anders wäre, würde das Leben anders verlaufen", sagt Freer.
Dieser prähistorische instabile Atomzustand, der als „Hoyle-Staat“ bezeichnet wird, wurde vor mehr als 50 Jahren entdeckt. Es bedurfte jedoch der Entstehung von Supercomputern und der Entwicklung neuer mathematischer Techniken, um zu verstehen, wie sein Erscheinungsbild mit den Gesetzen der Physik übereinstimmt. In einem Artikel, der erstmals im Mai 2011 vorgestellt und 2012 für die Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters verbessert wurde, wandte eine Gruppe theoretischer Physiker aus Deutschland und den USA die Physik auf einen computer-kompilierten Satz subatomarer Teilchen an, um im Hoyle-Staat eine Atomstruktur von Grund auf neu zu konstruieren .

"Es sieht aus wie ein gebogener Arm", sagte Dean Lee, Professor für Kernphysik an der University of North Carolina und Mitautor der Arbeit.

Physiker argumentieren, dass das Verständnis der Struktur des Hoyle-Zustands dazu beitragen wird, herauszufinden, wie er zum Auftreten von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen leichten Elementen beiträgt, aus denen die komplexen Moleküle lebender Organismen bestehen. Die Synthese dieser Elemente lässt Leben entstehen und unterstützt auch die Entwicklung von Sternen.

"Der Kohlenstoff-Sauerstoff-Stickstoff-Kreislauf ist wichtig für die Bildung der übrigen Elemente und für das Verständnis, wie Sterne leben und sterben", sagte Morten Hjorth-Jensen, Professor für theoretische Kernphysik an der Universität von Oslo und der Universität von Michigan. nicht an dem Projekt beteiligt. "Und natürlich wären wir ohne Hoyles Staat auch nicht hier."


Fred Hoyle 1967 am California Institute of Technology.

Die Suche nach einer Lösung für Hoyles Staat begann 1954 mit dem, was der Astrophysiker Markus Chown als "ungeheuerlichste Vorhersage" der Wissenschaft bezeichnete. Der theoretische Astrophysiker Fred Hoyle argumentierte, dass seine eigene Existenz beweist, dass ein unbekannter, exotischer Zustand eines Kohlenstoffatoms mit 7,65 MeV zusätzlicher Energie in den Sternen auftreten sollte, obwohl niemand jemals die spektrale Strahlung eines solchen Atoms aufgezeichnet hat.

" Hoyle postulierte, dass das Leben 7,65 MeV Kohlenstoff erfordert", sagt Hort-Jensen. "Und dann, nach 4-5 Jahren, fanden Experimentatoren aus Kaltek diesen Hoyle-Zustand wirklich in der Strahlung."

Wie vorhergesagt, stammen fast alle Schlüsselelemente des Lebens aus dieser vorübergehenden Form von Kohlenstoff. Wenn Wasserstoff in mittelgroßen Sternen wie der Sonne, aus der Helium synthetisiert wird, ausgeht, dehnen sich ihre äußeren Schichten aus und röten sich, und die Kerne schrumpfen. Während der Kompression wird der Heliumkern (Alpha-Teilchen), der jeweils zwei Protonen und zwei Neutronen enthält, so stark zusammengedrückt, dass er sich in einen Atomkern aus vier Protonen und vier Neutronen verwandelt, der als Beryllium-8 bezeichnet wird. Eine Tausendstel Billionstelsekunde, bevor das Beryllium wieder in zwei Alpha-Partikel zerfällt, dringt das dritte Alpha-Partikel manchmal in dieses ein und verschmilzt zu einem angeregten vergrößerten Kohlenstoff-12-Kern: dem Hoyle-Zustand. Zusätzlich zu den sechs Protonen und sechs Neutronen, die Kohlenstoff gemeinsam haben, enthält dieser Zustand auch überschüssige Energie.

Der Kern im Hoyle-Zustand zerfällt fast immer in Beryllium und ein Alpha-Teilchen. Aber sobald 2500 erreicht sind, geht dieser gequollene Kohlenstoff in einen stabilen Zustand über und gibt überschüssige Energie in Form von Gammastrahlen ab. Die erzeugten Kohlenstoff-12-Kerne breiten sich gemäß dem Periodensystem aus: Einige verbleiben in dieser Form, andere verschmelzen mit einem anderen Alpha-Teilchen und bilden Sauerstoff. Ein Teil der Sauerstoffkerne verliert ein Proton und verwandelt sich in Stickstoff. Andere verschmelzen mit einem anderen Alpha-Teilchen und verwandeln sich in Neon und so weiter. Wenn der Stern mit einer Supernova-Explosion endet, streut er alle neu geschaffenen Elemente in den Weltraum und sie werden zu Bausteinen zukünftiger Sonnensysteme.

Hoyle, der uns 2001 verlassen hatte, wusste, dass diese Elemente ohne den Zustand von Hoyle im ersten Moment nicht auftreten würden. Der Hoyle-Zustand ist die Resonanz des Kohlenstoffs, der vom Berylliumatom und dem Alpha-Teilchen gebildet wird, in dem Sinne, dass er fast so viel Energie enthält wie ihre Gesamtmasse. In stabilem Kohlenstoff-12 ist die Energie geringer, so dass sie nicht durch die Synthese von Alpha-Partikeln und Beryllium entsteht, genau wie zwei plus zwei nicht drei ergeben. „Die Existenz all dieser stabilen Zustände zeigt, dass Resonanz erforderlich ist“, sagt Hjort-Jensen.

Aber Hoyle sagte nur die Energie des Resonanzzustands von Kohlenstoff voraus; er konnte nichts über die Kräfte und Wechselwirkungen sagen, die zu seinem Aussehen führten, oder über seine physikalischen Eigenschaften. Da Kohlenstoff sechs Protonen und sechs Neutronen enthält, von denen jedes drei Quarks aufweist, ist der Hoyle-Zustand für 36 Körper eine sehr schwierige Aufgabe. Nach jahrzehntelanger Arbeit von Kernphysikern und selbst mit Hilfe moderner Computer bleibt die genaue Berechnung dieses Zustands nicht verfügbar.

Ein neuer Ansatz, chiralDie vom Nobelpreisträger Steven Weinberg entwickelte effektive Theorie (CET) ermöglichte es Lee und seinen Kollegen, eine gute Annäherung an die Struktur von Hoyles Staat zu schaffen. Der Trick nutzt die Tatsache, dass die Protonen und Neutronen im Kern voneinander getrennt sind, so dass sie sich nicht als Strukturen von drei Quarks "sehen", sondern als feste, wenn auch komplexe Teilchen.

Wenn wir Quarks vergessen, verwandelt sich das 36-Körper-Problem in ein 12-Körper-Problem, jedoch mit starker Wechselwirkung, Elektromagnetismus und chiralen Kräften höherer Ordnung, die die Wechselwirkungen aller Teilchen steuern. Und selbst eine solche Aufgabe hat noch keine genaue Lösung erhalten. „Es ist furchtbar schwierig, genau herauszufinden, wo sich alle zwölf Protonen und Neutronen befinden“, sagt Lee.

Damit die Berechnungen stattfinden können, verwendet KET einen mathematischen Trick, der manchmal in der High School verwendet wird. So wie die mathematische Funktion, die durch eine Kurve in einem Diagramm dargestellt wird, grob berechnet werden kann, indem die ersten Mitglieder der Taylor-Reihe - eine unendliche Anzahl immer kleiner werdender Mitglieder - um einen Punkt auf der Kurve gezählt werden, approximieren die Forscher die Kräfte, die den Hoyle-Zustand erzeugen, indem sie nur die ersten Mitglieder der Taylor-Reihe berücksichtigen für diese Kräfte.

„Ich vergleiche das gerne mit dem Schlagen eines Par-3-Lochs im Golf [ein Loch, das einem professionellen Golfer mit nicht mehr als drei Treffern abgenommen werden muss - ca. trans.] “, sagt Lee. Der erste Schlag, wie die ersten Mitglieder der Taylor-Serie, "bringt den Ball so nah wie möglich an das Loch." Der zweite Schlag, wie die Begriffe, die die Bewegung der Partikel nicht so sehr beeinflussen, bringt den Ball noch näher. Der dritte Schlag ist eine kleine Änderung. Nach drei Treffern erhalten Sie eine sehr gute Annäherung an die Struktur und Energie des Hoyle-Zustands.


Physiker zählen Hoyles Zustand auf dem JUGENE-Supercomputer im Julich-Supercomputerzentrum in Deutschland. Die Maschine von IBM erreicht eine Leistung von 222,8 Teraflops.

Wenn ein Supercomputer solche Berechnungen in einer Simulation für sechs Protonen und sechs Neutronen anwendet, die sich auf einem dreidimensionalen Gitter befinden, können sich die Teilchen auf unendlich viele Arten ausrichten. In der Natur gibt es jedoch nur Konfigurationen mit niedrigerer Energie. Unter ihnen wurde ein energiearmer Kohlenstoffzustand gefunden. Und ein anderer von ihnen ist der Hoyle-Staat mit 7,65 MeV zusätzlicher Energie.

Auf einem durchschnittlichen Laptop würden die Berechnungen des deutschen Supercomputers JUGENE mehr als zweihundert Jahre dauern.

„Ausgehend von den Grundprinzipien müssen Sie Ihr Modell nicht an komplexe Suchobjekte anpassen. Wir müssen Objekte vom Ausgangspunkt der einfachsten Wechselwirkungen zwischen Partikeln aus berechnen “, sagt Lee, der mit Eugene Epelbaum, Hermann Krebs und Ulf-J zusammengearbeitet hat. Meisner und Timo Lade. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde]

Hoyles Zustand hat wie ein gebogener Arm die Form eines stumpfen Dreiecks mit einem Alpha-Teilchen an jedem Scheitelpunkt. Die zusätzliche Energie des Kerns ermöglicht es Alpha-Partikeln, sich weiter voneinander zu entfernen, als dies bei Kohlenstoff-12 im Grundzustand der Fall ist, dessen Dreieck gleichseitig ist.

Martin Freer, Kernphysiker und -praktiker an der Universität von Birmingham, sagte, das Verständnis der Struktur von Atomkernen würde helfen, die Häufigkeit und die Mechanismen der Umwandlung in andere Zustände zu erklären, aus denen viele andere Elemente im Universum hervorgehen. Berechnungen helfen dabei, die Existenz des Hoyle-Zustands zu erklären und herauszufinden, wie genau das Universum auf die Entstehung des Lebens zugeschnitten ist. "Wenn Hoyles Zustand nicht existieren würde, gäbe es uns nicht, und wenn seine Energie noch ein bisschen anders wäre, würde das Leben anders verlaufen", sagt Freer.

Durch die Erhöhung der Auflösung des dreidimensionalen Gitters in der Simulation hoffen Lee und Kollegen, ihr Verständnis des Hoyle-Zustands zu klären und die Physik, die das Leben ermöglicht, besser zu verstehen. "Wir wollen immer Probleme lösen, die mit uns selbst zusammenhängen", sagt Lee. "Wenn das Leben auf dem Spiel steht, wird es sehr interessant."

Source: https://habr.com/ru/post/de397655/