Starea Hoyle este produsă prin „procesul triplu-alfa” în interiorul stelelor. Două particule alfa fuzionează pentru a forma un atom de beriliu, ulterior o a treia particulă fuzionează cu acest atom, formând ceea ce se numește „starea Hoyle”.
Credit: Epelbaum, et al.
Cum ia naștere nucleul de carbon-12? Un grup de cercetători care a folosit un super-computer și algoritmi de inteligență artificială au încercat să răspundă la această întrebare: nucleul poate să ia naștere în condiții extreme de temperatură și densitate, precum cele din centrul stelelor, sau în explozii de supernove, din unirea inițială a trei nuclee de heliu-4.
Elementele chimice
În prezent cunoaștem mai bine de 100 de elemente chimice: de la hidrogen la plumb și la nuclee descoperite recent, precum oganessonul, cu numărul atomic 118, creat recent în laborator.
Dar cum au luat naștere aceste elemente chimice? Hidrogenul a luat naștere imediat după Big Bang când s-au format și nuclee de deuteriu (un izotop al hidrogenului cu un proton și un neutron în nucleu) și heliu (doi protoni și doi neutroni).
Elementele chimice mai grele însă nu au luat naștere atunci, întrucât universul era în expansiune și se răcea, iar reacțiile nucleare care produc elemente mai grele nu puteau să aibă loc (chiar dacă mici cantități de litiu și beriliu s-au format).
De unde provin atunci celelalte elemente chimice?
Procesele din stele
Suntem cu adevărat pulbere de stele! Nu este doar o metaforă – elementele chimice din univers, inclusiv cele din care suntem alcătuiți noi, au luat naștere în interiorul stelelor sau în procesele care au loc atunci când acestea explodează (supernove).
În centrul stelelor au loc reacții de fuziune nucleară. La temperaturile extrem de mari de acolo nuclee ușoare se unesc între ele, formând nuclee din ce în ce mai grele. Acest proces – până la formarea fierului – eliberează energie, care menține un echilibru cu atracția gravitațională. Atâta vreme cât acest echilibru este menținut, steaua continuă să se păstreze (relativ) stabilă. Când reacțiile de fuziune nucleară s-au terminat - nu mai sunt elemente chimice care să se unească între ele, eliberând energie – echilibrul se „rupe” și steaua explodează – dând naștere unei supernove (dacă masa de plecare este mai mare ca cea a Soarelui).
În acest proces de explozie au loc alte reacții nucleare de fuziune între nuclee cu energii foarte mari, care duc mai departe la formarea elementelor chimice, cum ar fi cele grele.
→ Citește și: Originea celor mai răspândite 10 elemente chimice
Nucleul de carbon-12
Carbonul-12, al cărui nucleu conține 6 protoni și 6 neutroni, este un element chimic care stă la baza vieții terestre. Este deci important să înțelegem mai bine cum s-a format.
Într-un articol recent publicat în Nature Communications un grup de cercetători a simulat utilizând un super-computer (Fugaku, din Japonia – RIKEN), cel mai puternic super-computer din lume, pornind de la așa-zise principii prime, un proces care duce la formarea carbonului-12.
În mod concret, grupul a studiat modul în care din unirea finală a trei particule alfa (adică nuclee de heliu) cu doi protoni și doi neutroni se formează mai întâi un nucleu de carbon-12 instabil (cu energie mare) – numit starea Hoyle. O fracțiune din aceste nuclee emit raze gama, dând naștere unor nuclee stabile de carbon-12.
Acest proces este deosebit de complex – și pentru a-l studia și calcula cercetătorii au avut nevoie de 10 ani de studii intense, timp în care au dezvoltat și pus la punct algoritmii necesari.
Ce urmează
Acest studiu arată că procesele care au dus la formarea elementelor chimice necesare vieții sunt procese complexe, care au loc în condiții extreme – precum cele din miezul stelelor, în explozia stelelor cu masă mare sau chiar și în ciocnirile de stele de neutroni. În viitor cercetătorii vor să studieze mai în detaliu aceste procese.
Rezumatul articolului original:
Abstract: A long-standing crucial question with atomic nuclei is whether or not α clustering occurs there. An α particle (helium-4 nucleus) comprises two protons and two neutrons, and may be the building block of some nuclei. This is a very beautiful and fascinating idea, and is indeed plausible because the α particle is particularly stable with a large binding energy. However, direct experimental evidence has never been provided. Here, we show whether and how α(-like) objects emerge in atomic nuclei, by means of state-of-the-art quantum many-body simulations formulated from first principles, utilizing supercomputers including K/Fugaku. The obtained physical quantities exhibit agreement with experimental data. The appearance and variation of the α clustering are shown by utilizing density profiles for the nuclei beryllium-8, -10 and carbon-12. With additional insight by statistical learning, an unexpected crossover picture is presented for the Hoyle state, a critical gateway to the birth of life.
