Le noyau d'origine en tant que signe avant-coureur des éléments de la vie

Il y a des milliards d'années, tout le carbone qui existe sur Terre est apparu à l'intérieur d'étoiles lointaines mourantes. Dans un premier temps, le noyau de chaque atome est apparu dans un état enflé et dans des conditions exiguës, avec un minimum de chances de survie. Sur les 2500 survivants, un seul s'est transformé en une forme stable capable de soutenir la vie.

Martin Freer, physicien nucléaire et praticien à l'Université de Birmingham, a déclaré que la compréhension de la structure des noyaux atomiques aiderait à expliquer la fréquence et les mécanismes de sa transformation en d'autres états qui donnent naissance à de nombreux autres éléments dans l'univers. Les calculs aident à expliquer l'existence de l'état de Hoyle et à découvrir avec quelle précision l'univers est adapté à l'émergence de la vie. "Si l'état de Hoyle n'existait pas, il n'y aurait pas nous, et si son énergie était même un peu différente, la vie irait différemment", explique Freer.
Cet état nucléaire instable préhistorique, appelé «état Hoyle», a été découvert il y a plus de 50 ans, mais il a fallu l'émergence de supercalculateurs et le développement de nouvelles techniques mathématiques pour comprendre comment son apparence est conforme aux lois de la physique. Dans un article présenté pour la première fois en mai 2011, puis amélioré pour publication en 2012 dans la revue Physical Review Letters, un groupe de physiciens théoriciens d'Allemagne et des États-Unis a appliqué la physique à un ensemble de particules subatomiques compilé par ordinateur pour construire une structure atomique à partir de zéro dans l' état Hoyle .

"Il ressemble à un bras plié", a déclaré Dean Lee, professeur de physique nucléaire à l'Université de Caroline du Nord et co-auteur de l'ouvrage.

Les physiciens soutiennent que la compréhension de la structure de l'état de Hoyle aidera à découvrir comment il contribue à l'apparition du carbone, de l'oxygène, de l'azote et d'autres éléments légers qui composent les molécules complexes des organismes vivants. La synthèse de ces éléments donne naissance à la vie et soutient également l'évolution des étoiles.

"Le cycle carbone-oxygène-azote est essentiel pour la formation du reste des éléments et pour comprendre comment les étoiles vivent et meurent", a déclaré Morten Hjorth-Jensen, professeur de physique nucléaire théorique à l'Université d'Oslo et à l'Université du Michigan, pas impliqué dans le projet. "Et, bien sûr, sans l'état de Hoyle, nous ne serions pas là non plus."


Fred Hoyle au California Institute of Technology en 1967.

La recherche d'une solution à l'état de Hoyle a commencé en 1954 avec ce que l'astrophysicien Markus Chown a appelé la «prédiction la plus flagrante» de la science. L'astrophysicien théorique Fred Hoyle a estimé que sa propre existence prouve qu'un état inconnu et exotique d'un atome de carbone avec 7,65 MeV d'énergie supplémentaire devrait apparaître à l'intérieur des étoiles, bien que personne n'ait jamais enregistré le rayonnement spectral d'un tel atome.

" Hoyle a postulé que la vie nécessite 7,65 MeV de carbone", explique Hort-Jensen. "Et puis, après 4-5 ans, les expérimentateurs de Kaltek ont ​​vraiment trouvé cet état Hoyle dans le rayonnement."

Comme prévu, presque tous les éléments clés de la vie proviennent de cette forme transitoire de carbone. Lorsque l'hydrogène commence à s'écouler dans des étoiles de taille moyenne, comme le Soleil, à partir duquel l'hélium est synthétisé, leurs couches externes se dilatent et rougissent, et les noyaux rétrécissent. Pendant la compression, le noyau d'hélium (particules alpha), contenant chacun deux protons et deux neutrons, est tellement comprimé qu'il se transforme en un noyau atomique de quatre protons et quatre neutrons, appelé béryllium-8. Un millième de trillionième de seconde avant que le béryllium ne se désintègre en deux particules alpha, la troisième particule alpha y pénètre parfois et fusionne pour former un noyau de carbone-12 agrandi et excité: l'état de Hoyle. En plus des six protons et des six neutrons communs au carbone, cet état contient également un excès d'énergie.

Le noyau à l'état de Hoyle se désintègre presque toujours en béryllium et en particule alpha. Mais une fois sur 2500, ce carbone gonflé entre dans un état stable, dégageant un excès d'énergie sous forme de rayons gamma. Les noyaux de carbone 12 créés se répartissent selon le tableau périodique: certains restent sous cette forme, d'autres fusionnent avec une autre particule alpha et forment de l'oxygène. Une partie des noyaux d'oxygène perd un proton et se transforme en azote. D'autres fusionnent avec une autre particule alpha et se transforment en néon, etc. Si l'étoile se termine par une explosion de supernova, elle disperse tous les éléments nouvellement créés dans l'espace, et ils deviennent les briques des futurs systèmes solaires.

Hoyle, qui nous a quittés en 2001, savait que sans l'état de Hoyle au moment initial, ces éléments n'apparaîtraient pas. L'état de Hoyle est la résonance du carbone formé par l'atome de béryllium et la particule alpha, en ce sens qu'il contient presque autant d'énergie que leur masse totale. Dans le carbone 12 stable, l'énergie est moindre, elle n'apparaît donc pas par la synthèse des particules alpha et du béryllium, tout comme deux plus deux n'en donnent pas trois. «L'existence de tous ces états stables indique le besoin de résonance», explique Hjort-Jensen.

Mais Hoyle n'a prédit que l'énergie de l'état de résonance du carbone; il ne pouvait rien dire sur les forces et les interactions menant à son apparition, ni sur ses propriétés physiques. Comme le carbone contient six protons et six neutrons, chacun ayant trois quarks, l'état Hoyle est une tâche très difficile pour 36 corps. Après des décennies de travail par des physiciens nucléaires, et même avec l'aide d'ordinateurs modernes, le calcul exact de cet état reste indisponible.

Une nouvelle approche, chiralla théorie efficace (CET), développée par le prix Nobel Steven Weinberg, a permis à Lee et ses collègues de créer une bonne approximation de la structure de l'état de Hoyle. L'astuce utilise le fait que les protons et les neutrons dans le noyau sont séparés les uns des autres, de sorte qu'ils "se voient" non pas comme des structures de trois quarks, mais comme des particules solides, bien que complexes.

Si nous oublions les quarks, le problème à 36 corps se transforme en problème à 12 corps, mais avec une forte interaction, l'électromagnétisme et des forces chirales d'ordre supérieur qui contrôlent les interactions de toutes les particules. Et même une telle tâche n'a pas encore reçu de solution exacte. «Il est extrêmement difficile de savoir exactement où se trouvent les douze protons et neutrons», explique Lee.

Pour que les calculs aient lieu, KET utilise une astuce mathématique, parfois utilisée au lycée. Tout comme la fonction mathématique représentée par une courbe sur un graphique peut être grossièrement calculée en comptant les premiers membres de la série Taylor - une quantité infinie de membres toujours décroissants - autour d'un point de la courbe, les chercheurs approximent les forces qui créent l'état de Hoyle en considérant uniquement les premiers membres de la série Taylor pour ces forces.

«J'aime comparer cela à un trou de normale 3 dans le golf [un trou qu'un golfeur professionnel doit toucher ne devrait pas prendre plus de trois coups - environ. trans.] », explique Lee. Le premier coup, comme les premiers membres de la série Taylor, "rapproche le ballon le plus près possible du trou". Le second coup, comme les termes qui n'affectent pas tant le mouvement des particules, rapproche encore plus la balle. Le troisième coup est un petit coup sec. Après trois coups sûrs, vous obtenez une très bonne approximation de la structure et de l'énergie de l'état Hoyle.


Les physiciens comptent l’état de Hoyle sur le supercalculateur JUGENE du supercalculateur Julich en Allemagne. La machine d'IBM atteint une puissance de 222,8 téraflops.

Lorsqu'un supercalculateur applique de tels calculs dans une simulation pour six protons et six neutrons situés sur un réseau tridimensionnel, les particules peuvent s'aligner d'un nombre infini de façons. Cependant, seules des configurations d'énergie plus faible se trouvent dans la nature. Parmi eux, un état de carbone basse énergie a été trouvé. Et un autre d'entre eux est l'état Hoyle, avec 7,65 MeV d'énergie supplémentaire.

Sur un ordinateur portable moyen, les calculs effectués par le supercalculateur allemand JUGENE prendraient plus de deux cents ans.

«En partant des principes de base, vous n'avez pas besoin de régler votre modèle pour l'adapter à des objets de recherche complexes; nous devons calculer les objets à partir du point de départ des interactions les plus simples entre les particules », explique Lee, qui a travaillé avec Eugene Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-J. Meisner et Timo Lade. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde]

L’état de Hoyle, comme un bras plié, prend la forme d’un triangle obtus avec une particule alpha à chaque sommet. L'énergie supplémentaire du noyau permet aux particules alpha de s'éloigner les unes des autres, contrairement au carbone 12 à l'état fondamental, dont le triangle est équilatéral.

Martin Freer, physicien nucléaire et praticien à l'Université de Birmingham, a déclaré que la compréhension de la structure des noyaux atomiques aiderait à expliquer la fréquence et les mécanismes de sa transformation en d'autres états qui donnent naissance à de nombreux autres éléments dans l'univers. Les calculs aident à expliquer l'existence de l'état de Hoyle et à découvrir avec quelle précision l'univers est adapté à l'émergence de la vie. "Si l'état de Hoyle n'existait pas, il n'y aurait pas nous, et si son énergie était même un peu différente, la vie irait différemment", explique Freer.

En augmentant la résolution du réseau tridimensionnel dans la simulation, Lee et ses collègues espèrent clarifier leur compréhension de l'état de Hoyle et mieux comprendre la physique qui rend la vie possible. «Nous voulons toujours résoudre les problèmes liés à nous-mêmes», explique Lee. "Quand la vie est en jeu, cela devient très intéressant."

Source: https://habr.com/ru/post/fr397655/