Inti asli sebagai pertanda unsur-unsur kehidupan

Miliaran tahun yang lalu, semua karbon yang ada di Bumi muncul di dalam bintang-bintang sekarat yang jauh. Pada awalnya, nukleus dari masing-masing atom muncul dalam keadaan bengkak dan dalam kondisi sempit, dengan peluang minimal untuk bertahan hidup. Dari 2.500 yang selamat, hanya satu yang berubah menjadi bentuk stabil yang mampu menopang kehidupan.

Martin Freer, seorang ahli fisika dan praktisi nuklir di University of Birmingham, mengatakan memahami struktur inti atom akan membantu menjelaskan frekuensi dan mekanisme mengubahnya menjadi keadaan lain yang menimbulkan banyak elemen lain di alam semesta. Perhitungan membantu menjelaskan keberadaan negara Hoyle dan menemukan seberapa akurat alam semesta disesuaikan dengan munculnya kehidupan. "Jika keadaan Hoyle tidak ada, tidak akan ada kita, dan jika energinya bahkan sedikit berbeda, hidup akan berjalan dengan cara yang berbeda," kata Freer.
Negara nuklir prasejarah yang tidak stabil ini, yang disebut "negara Hoyle", ditemukan lebih dari 50 tahun yang lalu, tetapi diperlukan kemunculan superkomputer dan pengembangan teknik matematika baru untuk memahami bagaimana tampilannya konsisten dengan hukum fisika. Dalam sebuah makalah yang pertama kali dipresentasikan pada Mei 2011, dan kemudian ditingkatkan untuk dipublikasikan pada 2012 di jurnal Physical Review Letters, sekelompok fisikawan teoretis dari Jerman dan Amerika Serikat menerapkan fisika pada seperangkat partikel subatom yang disusun komputer untuk membangun struktur atom dari awal di negara Hoyle .

"Itu terlihat seperti lengan yang bengkok," kata Dean Lee, seorang profesor fisika nuklir di University of North Carolina dan penulis pendamping karya tersebut.

Fisikawan berpendapat bahwa memahami struktur keadaan Hoyle akan membantu menemukan bagaimana ia berkontribusi terhadap penampilan karbon, oksigen, nitrogen, dan elemen ringan lainnya yang membentuk molekul kompleks organisme hidup. Sintesis elemen-elemen ini memunculkan kehidupan, dan juga mendukung evolusi bintang.

"Siklus karbon-oksigen-nitrogen sangat penting untuk pembentukan elemen-elemen lainnya, dan untuk memahami bagaimana bintang hidup dan mati," kata Morten Hjorth-Jensen, profesor fisika nuklir teoretis di Universitas Oslo dan Universitas Michigan, tidak terlibat dalam proyek. "Dan, tentu saja, tanpa status Hoyle, kita juga tidak akan berada di sini."


Fred Hoyle pada tahun 1967 di California Institute of Technology.

Pencarian untuk solusi untuk negara Hoyle dimulai pada tahun 1954 dengan apa yang disebut astrofisikawan Markus Chown sebagai "prediksi paling mengerikan" dari ilmu pengetahuan. Ahli astrofisika teoritis, Fred Hoyle, beralasan bahwa keberadaannya sendiri membuktikan bahwa keadaan eksotis dari atom karbon dengan 7,65 MeV energi tambahan akan muncul di dalam bintang-bintang, terlepas dari kenyataan bahwa tidak ada yang pernah merekam radiasi spektral dari atom semacam itu.

" Hoyle mendalilkan bahwa kehidupan membutuhkan 7,65 MeV karbon," kata Hort-Jensen. "Dan kemudian, setelah 4-5 tahun, para peneliti dari Kaltek benar-benar menemukan keadaan Hoyle ini dalam radiasi."

Seperti yang diperkirakan, hampir semua elemen kunci kehidupan berasal dari bentuk karbon sementara ini. Ketika hidrogen mulai kehabisan bintang berukuran sedang, seperti Matahari, dari mana helium disintesis, lapisan luarnya mengembang dan memerah, dan nukleus menyusut. Selama kompresi, inti helium (partikel alfa), masing-masing mengandung dua proton dan dua neutron, dikompresi begitu banyak sehingga mereka berubah menjadi inti atom empat proton dan empat neutron, yang disebut berilium-8. Seperseribu satu triliun detik sebelum berilium meluruh kembali menjadi dua partikel alfa, partikel alfa ketiga kadang-kadang menembus ke dalamnya dan bergabung membentuk inti karbon-12 yang diperbesar: keadaan Hoyle. Selain enam proton dan enam neutron yang sama dengan karbon, keadaan ini juga mengandung energi berlebih.

Nukleus dalam keadaan Hoyle hampir selalu meluruh menjadi berilium dan partikel alfa. Tapi begitu keluar dari 2500, karbon bengkak ini masuk ke keadaan stabil, mengeluarkan energi berlebih dalam bentuk sinar gamma. Inti karbon-12 yang dibuat menyebar sesuai dengan tabel periodik: beberapa tetap dalam bentuk ini, yang lain bergabung dengan partikel alfa lain dan membentuk oksigen. Bagian dari inti oksigen kehilangan proton dan berubah menjadi nitrogen. Yang lain bergabung dengan partikel alfa lain dan berubah menjadi neon, dan sebagainya. Jika bintang berakhir dengan ledakan supernova, itu mencerai-beraikan semua elemen yang baru dibuat ke luar angkasa, dan mereka menjadi batu bata tata surya di masa depan.

Hoyle, yang meninggalkan kami pada tahun 2001, tahu bahwa tanpa keadaan Hoyle pada saat awal, elemen-elemen ini tidak akan muncul. Keadaan Hoyle adalah resonansi karbon yang dibentuk oleh atom berilium dan partikel alfa, dalam arti mengandung unsur energi yang hampir sama banyaknya dengan massa totalnya. Pada karbon-12 yang stabil, energinya lebih sedikit, sehingga tidak muncul melalui sintesis partikel alfa dan berilium, sama seperti dua tambah dua tidak memberi tiga. "Keberadaan semua kondisi stabil ini menunjukkan perlunya resonansi," kata Hjort-Jensen.

Tetapi Hoyle hanya meramalkan energi dari resonansi karbon; dia tidak bisa mengatakan apa pun tentang kekuatan dan interaksi yang mengarah pada penampilannya, atau tentang sifat fisiknya. Karena karbon mengandung enam proton dan enam neutron, masing-masing memiliki tiga quark, keadaan Hoyle adalah tugas yang sangat sulit bagi 36 benda. Setelah puluhan tahun bekerja oleh fisikawan nuklir, dan bahkan dengan bantuan komputer modern, perhitungan persis keadaan ini tetap tidak tersedia.

Pendekatan baru, chiralteori efektif (CET), yang dikembangkan oleh pemenang Nobel Steven Weinberg, memungkinkan Lee dan rekan-rekannya untuk membuat pendekatan yang baik terhadap struktur negara Hoyle. Trik ini menggunakan fakta bahwa proton dan neutron dalam nukleus dipisahkan satu sama lain, sehingga mereka "melihat" satu sama lain bukan sebagai struktur tiga quark, tetapi sebagai partikel padat, meskipun kompleks.

Jika kita lupa tentang quark, maka masalah 36-tubuh berubah menjadi masalah 12-tubuh, tetapi dengan interaksi yang kuat, elektromagnetisme dan kekuatan kiral tingkat tinggi yang mengontrol interaksi semua partikel. Dan bahkan tugas semacam itu belum menerima solusi yang pasti. "Mencari tahu persis di mana kedua belas proton dan neutron berada sangat sulit," kata Lee.

Agar perhitungan berlangsung, KET menggunakan trik matematika, kadang-kadang digunakan di sekolah menengah. Sama seperti fungsi matematika yang diwakili oleh kurva pada grafik dapat secara kasar dihitung dengan menghitung beberapa anggota pertama dari seri Taylor - jumlah tak terbatas dari anggota yang menurun - di sekitar titik pada kurva, para peneliti memperkirakan kekuatan yang menciptakan keadaan Hoyle dengan mempertimbangkan hanya beberapa anggota pertama dalam seri Taylor untuk kekuatan-kekuatan ini.

“Saya suka membandingkan ini dengan memukul lubang par-3 di golf [lubang yang harus dipukul pegolf profesional tidak boleh lebih dari tiga pukulan - kira-kira. trans.], ”kata Lee. Pukulan pertama, seperti anggota pertama dari seri Taylor, "membawa bola sedekat mungkin ke lubang." Pukulan kedua, seperti istilah yang tidak terlalu mempengaruhi pergerakan partikel, membuat bola semakin dekat. Pukulan ketiga sedikit tweak. Setelah tiga pukulan, Anda mendapatkan perkiraan yang sangat baik dari struktur dan energi kondisi Hoyle.


Fisikawan sedang menghitung keadaan Hoyle di superkomputer JUGENE di pusat superkomputer Julich di Jerman. Mesin dari IBM mencapai kekuatan 222,8 teraflops.

Ketika superkomputer menerapkan perhitungan seperti itu dalam simulasi selama enam proton dan enam neutron yang terletak pada kisi tiga dimensi, partikel dapat berbaris dalam jumlah cara yang tak terbatas. Namun, hanya konfigurasi energi yang lebih rendah yang ditemukan di alam. Di antara mereka, keadaan karbon berenergi rendah ditemukan. Dan yang lain adalah negara Hoyle, dengan 7,65 MeV energi tambahan.

Pada rata-rata laptop, perhitungan yang dilakukan oleh superkomputer Jerman JUGENE akan memakan waktu lebih dari dua ratus tahun.

“Mulai dari prinsip dasar, Anda tidak perlu menyetel model Anda agar sesuai dengan objek pencarian yang rumit; kita perlu menghitung objek dari titik awal interaksi paling sederhana antar partikel, ”kata Lee, yang bekerja dengan Eugene Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-J. Meisner dan Timo Lade. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde] Keadaan

Hoyle, seperti lengan yang ditekuk, berbentuk segitiga tumpul dengan partikel alfa di setiap titik. Energi tambahan dari nukleus memungkinkan partikel alfa untuk bergerak lebih jauh terpisah satu sama lain daripada ini terjadi dengan karbon-12 dalam keadaan dasar, yang segitiga adalah sama sisi.

Martin Freer, seorang ahli fisika dan praktisi nuklir di University of Birmingham, mengatakan memahami struktur inti atom akan membantu menjelaskan frekuensi dan mekanisme mengubahnya menjadi keadaan lain yang menimbulkan banyak elemen lain di alam semesta. Perhitungan membantu menjelaskan keberadaan negara Hoyle dan menemukan seberapa akurat alam semesta disesuaikan dengan munculnya kehidupan. "Jika keadaan Hoyle tidak ada, tidak akan ada kita, dan jika energinya bahkan sedikit berbeda, hidup akan berjalan dengan cara yang berbeda," kata Freer.

Dengan meningkatkan resolusi kisi tiga dimensi dalam simulasi, Lee dan rekannya berharap untuk memperjelas pemahaman mereka tentang keadaan Hoyle dan lebih memahami fisika yang memungkinkan kehidupan. "Kami selalu ingin menyelesaikan masalah yang terkait dengan diri kami sendiri," kata Lee. "Ketika hidup dipertaruhkan, itu menjadi sangat menarik."

Source: https://habr.com/ru/post/id397655/