De la momentul exploziei primordiale Big Bang, universul a tot evoluat. De la formarea simplilor protoni şi neutroni până la marea varietate de elemente şi molecule cunoscute astăzi, cosmosul este într-o perpetuă creştere în complexitate şi diversitate.
Teoreticienii din domeniul fizicii nucleare au obţinut noi indicii despre reacţia nucleară fundamentală care a dat naştere vieţii aşa cum o ştim noi.
Reacţia este cunoscută drept procesul triplu-alfa şi este responsabilă pentru apariţia marii cantităţi de carbon existentă în tot universul. De ani de zile, procesul prin care stelele combină nuclee simple, uşoare, dând naştere astfel celui mai important element chimic, a fost înţeles doar ca un proces în doi paşi. Însă recent, problema a fost reconsiderată, pentru a dezvălui întregul set de mecanisme din spatele formării izotopului cel mai important al vieţii, carbon-12.
Concret, problema se referă la rata de producţie a carbonului-12 la temperaturi joase. Calcule anterioare făcute de un grup condus de Kazuyuki Ogata, profesor de fizică nucleară de la Universitatea Kyushu din Fukuoda, Japonia, a condus la obţinerea unor modele în care stelele îşi consumau combustibilul nuclear atât de rapid, încât nu puteau ajunge la faza de gigantă roşie. Iar asta reprezenta o problemă, căci universul e plin de gigante roşii.
„Teoria Kyushu conducea la o rată de producere a carbonului-12 incompatibilă cu observaţiile şi întreaga comunitate a specialiştilor în astrofizică nucleară era nedumerită", spune Filomena Nunes, teoretician în fizică nucleară şi profesor la NSCL. „Primeam mesaje de peste tot. Metoda folosită era corectă, iar membrii din grupul Kyushu sunt experţi în utilizarea ei. Aşa că trebuia să fie ceva greşit în ceea ce priveşte aproximările."
Carbonul este al patrulea element ca abundenţă în univers şi carbonul-12 este cea mai întâlnită formă a sa. Cu un număr egal, şase, de protoni şi neutroni, acest nucleu simplu formează baza tuturor formelor de viaţă cunoscute. Totuşi, procesele care creează carbonul-12 şi motivele pentru abundenţa sa nu sunt chiar aşa de simplu de explicat.
La doar câteva microsecunde după Big Bang, quarcurile şi gluonii au format protoni şi neutroni. După doar trei minute, nucleele simple de hidrogen şi heliu au intrat în scenă. Dar a trebuit să treacă un milion de ani pentru ca electronii să li se alăture pentru a forma atomi neutri, iar 10 milioane de ani mai târziu au început să se formeze stelele.
În furnalul nuclear al stelelor, protonii au început să se combine, parcurgând o întreagă secvenţă de reacţii pentru a forma atomii de heliu. Apoi, însă, procesul de sinteză nucleară a ajuns la un impas. Prin adăugarea unui singur proton la heliu rezultă litiu-5, un nucleu căruia natura nu-i permite să existe. Fuziunea a două nuclee de heliu duce la apariţia beriliului-8, un alt nucleu ce nu poate exista din cauza legilor fizicii nucleare.
Dar evident că stelele şi-au continuat evoluţia şi în aceste condiţii, dând naştere întregii diversităţi de elemente pe care le vedem în jurul nostru. Cum de e posibil aşa ceva? Această întrebare a bântuit astrofizicienii pentru mulţi ani, deoarece, conform spuselor absolventului de la NSCL Ngoc Bich Nguyen, „dacă nu putem explica abundenţa carbonului-12, nu putem explica în ce mod s-a format universul nostru."
Răspunsul vine sub forma reacţiei care implică trei nuclee de heliu, cunoscute şi sub denumirea de particule alfa. Chiar dacă beriliul-8 se descompune în câteva nanosecunde, dacă o stea este destul de fierbinte, o a treia particulă alfa poate fuziona cu nucleul ce are viaţă foarte scurtă. Şi pentru că energia unui nucleu de beriliu-8, adăugată unei particule alfa, este aproape exact cât a unui nucleu de carbon-12 într-o stare excitată, apare un fenomen de rezonanţă, care creşte mult rata sa de producţie.
Există însă şi un alt mod în care stelele pot da naştere carbonului-12.
La temperaturi joase, când energia nu este suficientă pentru a se ajunge la rezonanţă, carbonul-12 se poate totuşi forma prin fuzionarea simultană a trei particule alfa. Şi dacă în trecut teoria nucleară modela cu acurateţe ratele procesului în două etape, ea era extrem de imprecisă când venea vorba de procesul într-o singură etapă. Grupul Kyushu a făcut o îmbunătăţire serioasă în ceea ce priveşte acest din urmă caz.
„Totuşi, rezultatele lor interziceau formarea gigantelor roşii, despre care noi ştim că există, pentru că le-am observat", a spus Nunes. „Aşa că am avut ideea unei abordări alternative, care nu includea limitările metodei folosite la acea vreme."
Împreună, Nunes şi Nguyen au rezolvat această problemă foarte solicitantă a împrăştierii cu trei corpuri. Calculele lor noi au fost în concordanţă cu teoria anterioară pentru formarea carbonului-12 la temperatură ridicată. La temperaturi scăzute, totuşi, noul model a prezis o creştere a ratei de aproximativ 10 trilioane de ori faţă de estimările din trecut.
Poate părea mult, dar era totuşi mult mai puţin faţă de ce anticipase Ogata.
„Cu noile noaste rezultate, gigantele roşii există, în sfârşit, din nou!", a spus Nunes. „De acum, trebuie să folosim noile rate de producţie în mult mai multe scenarii astrofizice. Sperăm că astfel vor fi rezolvate câteva probleme rămase pentru nove şi supernove."
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după life-crucial-isotope, cu acordul Phys.org.
