El núcleo original como precursor de los elementos de la vida.

Miles de millones de años atrás, todo el carbono que existe en la Tierra apareció dentro de estrellas moribundas distantes. Al principio, el núcleo de cada átomo apareció en un estado hinchado y en condiciones de hacinamiento, con una mínima posibilidad de supervivencia. De los 2.500 sobrevivientes, solo uno se convirtió en una forma estable capaz de soportar la vida.

Martin Freer, físico nuclear y practicante de la Universidad de Birmingham, dijo que comprender la estructura de los núcleos atómicos ayudaría a explicar la frecuencia y los mecanismos para transformarlo en otros estados que dan lugar a muchos otros elementos en el universo. Los cálculos ayudan a explicar la existencia del estado de Hoyle y a descubrir con qué precisión el universo se adapta a la aparición de la vida. "Si el estado de Hoyle no existiera, no existiríamos nosotros, y si su energía fuera incluso un poco diferente, la vida iría de otra manera", dice Freer.
Este estado nuclear inestable prehistórico, llamado "estado de Hoyle", se descubrió hace más de 50 años, pero surgió la aparición de supercomputadoras y el desarrollo de nuevas técnicas matemáticas para comprender cómo su apariencia es coherente con las leyes de la física. En un documento presentado por primera vez en mayo de 2011, y luego mejorado para su publicación en 2012 en la revista Physical Review Letters, un grupo de físicos teóricos de Alemania y Estados Unidos aplicó la física a un conjunto de partículas subatómicas compiladas por computadora para construir una estructura atómica desde cero en el estado de Hoyle .

"Parece un brazo doblado", dijo Dean Lee, profesor de física nuclear en la Universidad de Carolina del Norte y coautor del trabajo.

Los físicos sostienen que comprender la estructura del estado de Hoyle ayudará a descubrir cómo contribuye a la aparición de carbono, oxígeno, nitrógeno y otros elementos ligeros que forman las moléculas complejas de los organismos vivos. La síntesis de estos elementos da vida, y también apoya la evolución de las estrellas.

"El ciclo carbono-oxígeno-nitrógeno es esencial para la formación del resto de los elementos y para comprender cómo viven y mueren las estrellas", dijo Morten Hjorth-Jensen, profesor de física nuclear teórica en la Universidad de Oslo y la Universidad de Michigan, no involucrado en el proyecto. "Y, por supuesto, sin el estado de Hoyle, tampoco estaríamos aquí".


Fred Hoyle en 1967 en el Instituto de Tecnología de California.

La búsqueda de una solución al estado de Hoyle comenzó en 1954 con lo que el astrofísico Markus Chown llamó la "predicción más atroz" de la ciencia. El astrofísico teórico Fred Hoyle razonó que su propia existencia demuestra que un estado desconocido y exótico de un átomo de carbono con 7,65 MeV de energía adicional debería aparecer dentro de las estrellas, a pesar de que nadie ha registrado la radiación espectral de dicho átomo.

" Hoyle postuló que la vida requiere 7.65 MeV de carbono", dice Hort-Jensen. "Y luego, después de 4-5 años, los experimentadores de Kaltek realmente encontraron este estado de Hoyle en la radiación".

Como se predijo, casi todos los elementos clave de la vida provienen de esta forma transitoria de carbono. Cuando el hidrógeno comienza a agotarse en estrellas de tamaño mediano como el Sol, a partir del cual se sintetiza helio, sus capas externas se expanden y enrojecen, y los núcleos se contraen. Durante la compresión, el núcleo de helio (partículas alfa), cada uno con dos protones y dos neutrones, se comprimen tanto que se convierten en un núcleo atómico de cuatro protones y cuatro neutrones, llamado berilio-8. Una milésima de una billonésima de segundo antes de que el berilio se descomponga en dos partículas alfa, la tercera partícula alfa a veces penetra y se fusiona para formar un núcleo de carbono-12 excitado y ampliado: el estado Hoyle. Además de los seis protones y los seis neutrones comunes al carbono, este estado también contiene un exceso de energía.

El núcleo en el estado de Hoyle casi siempre se descompone en berilio y una partícula alfa. Pero una vez de 2500, este carbono inflamado entra en un estado estable, emitiendo un exceso de energía en forma de rayos gamma. Los núcleos de carbono 12 creados se están extendiendo de acuerdo con la tabla periódica: algunos permanecen en esta forma, otros se fusionan con otra partícula alfa y forman oxígeno. Parte de los núcleos de oxígeno pierde un protón y se convierte en nitrógeno. Otros se fusionan con otra partícula alfa y se convierten en neón, y así sucesivamente. Si la estrella termina con una explosión de supernova, dispersa todos los elementos recién creados en el espacio, y se convierten en los ladrillos de los futuros sistemas solares.

Hoyle, quien nos dejó en 2001, sabía que sin el estado de Hoyle en el momento inicial, estos elementos no aparecerían. El estado de Hoyle es la resonancia del carbono formado por el átomo de berilio y la partícula alfa, en el sentido de que contiene casi tanta energía como su masa total. En el carbono 12 estable, la energía es menor, por lo que no aparece a través de la síntesis de partículas alfa y berilio, al igual que dos más dos no dan tres. "La existencia de todos estos estados estables indica la necesidad de resonancia", dice Hjort-Jensen.

Pero Hoyle predijo solo la energía del estado de resonancia del carbono; No podía decir nada sobre las fuerzas e interacciones que conducían a su aparición, ni sobre sus propiedades físicas. Como el carbono contiene seis protones y seis neutrones, cada uno de los cuales tiene tres quarks, el estado de Hoyle es una tarea muy difícil para 36 cuerpos. Después de décadas de trabajo por parte de físicos nucleares, e incluso con la ayuda de computadoras modernas, el cálculo exacto de este estado sigue sin estar disponible.

Un nuevo enfoque, quiralLa teoría efectiva (CET), desarrollada por el premio Nobel Steven Weinberg, permitió a Lee y sus colegas crear una buena aproximación a la estructura del estado de Hoyle. El truco utiliza el hecho de que los protones y los neutrones en el núcleo se mantienen separados entre sí, por lo que "se ven" entre sí no como estructuras de tres quarks, sino como partículas sólidas, aunque complejas.

Si nos olvidamos de los quarks, entonces el problema de 36 cuerpos se convierte en el problema de 12 cuerpos, pero con una fuerte interacción, electromagnetismo y fuerzas quirales de orden superior que controlan las interacciones de todas las partículas. E incluso tal tarea aún no ha recibido una solución exacta. "Encontrar exactamente dónde están ubicados los doce protones y neutrones es terriblemente difícil", dice Lee.

Para que los cálculos se lleven a cabo, KET usa un truco matemático, a veces usado en la escuela secundaria. Del mismo modo que la función matemática representada por una curva en un gráfico puede calcularse aproximadamente contando los primeros miembros de la serie Taylor, una cantidad infinita de miembros cada vez menores, alrededor de un punto de la curva, los investigadores aproximan las fuerzas que crean el estado de Hoyle al considerar solo los primeros miembros de la serie Taylor. por estas fuerzas

"Me gusta comparar esto con golpear un hoyo par 3 en el golf [un hoyo que un golfista profesional debe golpear no debe recibir más de tres golpes - aprox. trans.] ", dice Lee. El primer golpe, como los primeros miembros de la serie Taylor, "lleva la pelota lo más cerca posible del hoyo". El segundo golpe, como los términos que no afectan tanto el movimiento de las partículas, acerca aún más la pelota. El tercer golpe es un pequeño ajuste. Después de tres golpes, obtienes una muy buena aproximación de la estructura y la energía del estado de Hoyle.


Los físicos están contando el estado de Hoyle en la supercomputadora JUGENE en el centro de la supercomputadora Julich en Alemania. La máquina de IBM alcanza una potencia de 222.8 teraflops.

Cuando una supercomputadora aplica dichos cálculos en una simulación para seis protones y seis neutrones ubicados en una red tridimensional, las partículas pueden alinearse en un número infinito de formas. Sin embargo, solo las configuraciones de menor energía se encuentran en la naturaleza. Entre ellos, se encontró un estado de carbono de baja energía. Y otro de ellos es el estado de Hoyle, con 7,65 MeV de energía adicional.

En una computadora portátil promedio, los cálculos realizados por la supercomputadora alemana JUGENE tomarían más de doscientos años.

“A partir de los principios básicos, no necesita ajustar su modelo para que se ajuste a objetos de búsqueda complejos; necesitamos calcular objetos desde el punto de partida de las interacciones más simples entre partículas ", dice Lee, quien trabajó con Eugene Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-J. Meisner y Timo Lade. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde]

El estado de Hoyle, como un brazo doblado, toma la forma de un triángulo obtuso con una partícula alfa en cada vértice. La energía adicional del núcleo permite que las partículas alfa se separen más de lo que sucede con el carbono 12 en el estado fundamental, cuyo triángulo es equilátero.

Martin Freer, físico nuclear y practicante de la Universidad de Birmingham, dijo que comprender la estructura de los núcleos atómicos ayudaría a explicar la frecuencia y los mecanismos para transformarlo en otros estados que dan lugar a muchos otros elementos en el universo. Los cálculos ayudan a explicar la existencia del estado de Hoyle y a descubrir con qué precisión el universo se adapta a la aparición de la vida. "Si el estado de Hoyle no existiera, no existiríamos nosotros, y si su energía fuera incluso un poco diferente, la vida iría de otra manera", dice Freer.

Al aumentar la resolución de la red tridimensional en la simulación, Lee y sus colegas esperan aclarar su comprensión del estado de Hoyle y comprender mejor la física que hace posible la vida. "Siempre queremos resolver problemas relacionados con nosotros mismos", dice Lee. "Cuando la vida está en juego, se vuelve muy interesante".

Source: https://habr.com/ru/post/es397655/