O núcleo original como prenúncio dos elementos da vida

Bilhões de anos atrás, todo o carbono que existe na Terra apareceu dentro de estrelas distantes e moribundas. A princípio, o núcleo de cada átomo apareceu em um estado inchado e em condições restritas, com uma chance mínima de sobrevivência. Dos 2.500 sobreviventes, apenas um se transformou em uma forma estável capaz de sustentar a vida.

Martin Freer, físico nuclear e praticante da Universidade de Birmingham, disse que entender a estrutura dos núcleos atômicos ajudaria a explicar a frequência e os mecanismos de transformá-la em outros estados que dão origem a muitos outros elementos do universo. Os cálculos ajudam a explicar a existência do estado de Hoyle e a descobrir com que precisão o universo é adaptado ao surgimento da vida. "Se o estado de Hoyle não existisse, não existiríamos nós, e se a energia dele fosse um pouco diferente, a vida seria diferente", diz Freer.
Esse estado nuclear pré-histórico instável, chamado "estado de Hoyle", foi descoberto há mais de 50 anos, mas foi necessário o surgimento de supercomputadores e o desenvolvimento de novas técnicas matemáticas para entender como sua aparência é consistente com as leis da física. Em um artigo apresentado pela primeira vez em maio de 2011 e aprimorado para publicação em 2012 na revista Physical Review Letters, um grupo de físicos teóricos da Alemanha e dos Estados Unidos aplicou a física a um conjunto de partículas subatômicas compiladas por computador para construir uma estrutura atômica do zero no estado de Hoyle .

"Parece um braço dobrado", disse Dean Lee, professor de física nuclear da Universidade da Carolina do Norte e co-autor do trabalho.

Os físicos argumentam que o entendimento da estrutura do estado de Hoyle ajudará a descobrir como ele contribui para o aparecimento de carbono, oxigênio, nitrogênio e outros elementos leves que compõem as moléculas complexas dos organismos vivos. A síntese desses elementos dá vida à vida e também apoia a evolução das estrelas.

"O ciclo carbono-oxigênio-nitrogênio é essencial para a formação do restante dos elementos e para entender como as estrelas vivem e morrem", disse Morten Hjorth-Jensen, professor de física nuclear teórica na Universidade de Oslo e na Universidade de Michigan, não envolvido no projeto. "E, é claro, sem o estado de Hoyle, também não estaríamos aqui."


Fred Hoyle, em 1967, no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

A busca por uma solução para o estado de Hoyle começou em 1954 com o que o astrofísico Markus Chown chamou de "previsão mais flagrante" da ciência. O astrofísico teórico Fred Hoyle argumentou que sua própria existência prova que um estado exótico e desconhecido de um átomo de carbono com 7,65 MeV de energia adicional deve aparecer dentro das estrelas, apesar do fato de que ninguém jamais registrou a radiação espectral de um átomo desse tipo.

" Hoyle postulou que a vida requer 7,65 MeV de carbono", diz Hort-Jensen. "E depois de 4-5 anos, os pesquisadores de Kaltek realmente encontraram esse estado de Hoyle na radiação".

Como previsto, quase todos os elementos-chave da vida provêm dessa forma transitória de carbono. Quando o hidrogênio começa a acabar em estrelas de tamanho médio, como o Sol, a partir do qual o hélio é sintetizado, suas camadas externas se expandem e avermelham, e os núcleos encolhem. Durante a compressão, o núcleo de hélio (partículas alfa), cada um contendo dois prótons e dois nêutrons, é comprimido tanto que se transforma em um núcleo atômico de quatro prótons e quatro nêutrons, chamado berílio-8. Um milésimo de bilionésimo de segundo antes do berílio decair em duas partículas alfa, a terceira partícula alfa às vezes penetra nele e se funde para formar um núcleo de carbono-12 aumentado e excitado: o estado de Hoyle. Além dos seis prótons e seis nêutrons comuns ao carbono, esse estado também contém excesso de energia.

O núcleo no estado de Hoyle quase sempre se decompõe em berílio e em uma partícula alfa. Mas uma vez em 2500, esse carbono inchado entra em um estado estável, liberando excesso de energia na forma de raios gama. Os núcleos de carbono-12 criados estão se espalhando de acordo com a tabela periódica: alguns permanecem nessa forma, outros se fundem com outra partícula alfa e formam oxigênio. Parte dos núcleos de oxigênio perde um próton e se transforma em nitrogênio. Outros se fundem com outra partícula alfa e se transformam em neon, e assim por diante. Se a estrela termina com uma explosão de supernova, espalha todos os elementos recém-criados no espaço, e eles se tornam os tijolos dos futuros sistemas solares.

Hoyle, que nos deixou em 2001, sabia que sem o estado de Hoyle no momento inicial, esses elementos não apareceriam. O estado de Hoyle é a ressonância do carbono formado pelo átomo de berílio e pela partícula alfa, no sentido de que ele contém quase tanta energia quanto sua massa total. No carbono-12 estável, a energia é menor, portanto não aparece através da síntese de partículas alfa e berílio, assim como dois mais dois não dão três. "A existência de todos esses estados estáveis ​​indica a necessidade de ressonância", diz Hjort-Jensen.

Mas Hoyle previu apenas a energia do estado de ressonância do carbono; ele não podia dizer nada sobre as forças e interações que levavam à sua aparência ou sobre suas propriedades físicas. Como o carbono contém seis prótons e seis nêutrons, cada um com três quarks, o estado de Hoyle é uma tarefa muito difícil para 36 corpos. Após décadas de trabalho de físicos nucleares, e mesmo com a ajuda de computadores modernos, o cálculo exato desse estado permanece indisponível.

Uma nova abordagem, quirala teoria eficaz (TEC), desenvolvida pelo ganhador do Nobel Steven Weinberg, permitiu a Lee e seus colegas criar uma boa aproximação à estrutura do estado de Hoyle. O truque usa o fato de que os prótons e nêutrons no núcleo são mantidos separados um do outro, para que "se vejam" não como estruturas de três quarks, mas como partículas sólidas, embora complexas.

Se esquecermos os quarks, o problema dos 36 corpos se transforma no problema dos 12 corpos, mas com forte interação, eletromagnetismo e forças quirais de ordem superior que controlam as interações de todas as partículas. E mesmo essa tarefa ainda não recebeu uma solução exata. "Descobrir exatamente onde todos os doze prótons e nêutrons estão localizados é terrivelmente difícil", diz Lee.

Para que os cálculos ocorram, o KET usa um truque matemático, às vezes usado no ensino médio. Assim como a função matemática representada por uma curva em um gráfico pode ser calculada grosseiramente contando os primeiros membros da série Taylor - uma quantidade infinita de membros sempre decrescentes - em torno de um ponto na curva, os pesquisadores aproximam as forças que criam o estado de Hoyle considerando apenas os primeiros membros da série Taylor por essas forças.

“Gosto de comparar isso com o de um buraco par-3 no golfe [um buraco que um jogador profissional deve atingir não deve levar mais do que três batidas - aprox. trans.] ”, diz Lee. O primeiro golpe, como os primeiros membros da série Taylor, "aproxima a bola o mais próximo possível do buraco". O segundo golpe, como os termos que não afetam tanto o movimento das partículas, aproxima a bola ainda mais. O terceiro golpe é um pequeno ajuste. Após três ocorrências, você obtém uma aproximação muito boa da estrutura e energia do estado de Hoyle.


Os físicos estão contando o estado de Hoyle no supercomputador JUGENE no centro de supercomputadores Julich na Alemanha. A máquina da IBM atinge uma potência de 222,8 teraflops.

Quando um supercomputador aplica esses cálculos em uma simulação para seis prótons e seis nêutrons localizados em uma rede tridimensional, as partículas podem se alinhar em um número infinito de maneiras. No entanto, apenas configurações de menor energia são encontradas na natureza. Entre eles, foi encontrado um estado de carbono de baixa energia. E outro deles é o estado de Hoyle, com 7,65 MeV de energia adicional.

Em um laptop comum, os cálculos realizados pelo supercomputador alemão JUGENE levariam mais de duzentos anos.

“Partindo dos princípios básicos, você não precisa ajustar seu modelo para ajustar objetos de pesquisa complexos; precisamos calcular objetos a partir do ponto de partida das interações mais simples entre as partículas ”, diz Lee, que trabalhou com Eugene Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-J. Meisner e Timo Lade. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde]

O estado de Hoyle, como um braço dobrado, assume a forma de um triângulo obtuso com uma partícula alfa em cada vértice. A energia adicional do núcleo permite que as partículas alfa se afastem uma da outra, o que ocorre com o carbono-12 no estado fundamental, cujo triângulo é equilátero.

Martin Freer, físico nuclear e praticante da Universidade de Birmingham, disse que entender a estrutura dos núcleos atômicos ajudaria a explicar a frequência e os mecanismos de transformá-la em outros estados que dão origem a muitos outros elementos do universo. Os cálculos ajudam a explicar a existência do estado de Hoyle e a descobrir com que precisão o universo é adaptado ao surgimento da vida. "Se o estado de Hoyle não existisse, não existiríamos nós, e se a energia dele fosse um pouco diferente, a vida seria diferente", diz Freer.

Ao aumentar a resolução da rede tridimensional na simulação, Lee e seus colegas esperam esclarecer sua compreensão do estado de Hoyle e entender melhor a física que torna a vida possível. "Sempre queremos resolver problemas relacionados a nós mesmos", diz Lee. "Quando a vida está em risco, torna-se muito interessante."

Source: https://habr.com/ru/post/pt397655/