Фундаментальный вопрос исследователей: "Как космос производит углерод-12?" - сказал Джеймс Вэйри, профессор физики и астрономии в Университете штата Айова и давний участник исследовательского сотрудничества.

"Оказывается, нелегко производить углерод-12", - сказал Вэри.

Требуется экстремальная температура и давление внутри звезд или при столкновениях и взрывах звезд, чтобы создать возникающие, нестабильные, находящиеся в возбужденном состоянии ядра углерода с тремя слабо связанными сгустками, каждый из которых содержит два протона и два нейтрона. Часть этих нестабильных ядер углерода может выделять немного дополнительной энергии в виде гамма-лучей и превращаться в стабильный углерод-12, вещество жизни.

Статья, недавно опубликованная онлайн-журналом Сообщения о природе описывает суперкомпьютерное моделирование исследователей и полученную в результате теорию ядерной структуры углерода, которая способствует его образованию в космосе. Автором-корреспондентом является Такахару Оцука из Токийского университета, Центра ускорительной науки РИКЕН Нишина и Центра перспективных научных исследований Японского агентства по атомной энергии.

В статье описывается, как альфа-частицы - атомы гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами - могут группироваться, образуя гораздо более тяжелые атомы, включая нестабильное возбужденное состояние углерода-12, известное как состояние Хойла (предсказанное астрофизиком-теоретиком Фредом Хойлом в 1953 году как предшественник жизни, какой мы ее знаем)..

Исследователи пишут, что эта кластеризация альфа-частиц "является очень красивой и увлекательной идеей и действительно правдоподобной, потому что (альфа) частица особенно стабильна с большой энергией связи".

Чтобы проверить теорию, исследователи провели моделирование на суперкомпьютере, включая вычисления на суперкомпьютере Fugaku в Центре вычислительной науки RIKEN в Кобе, Япония. Fugaku входит в список самых мощных суперкомпьютеров в мире и в три раза мощнее, чем № 2, согласно последнему рейтингу суперкомпьютеров TOP500.

Вэри сказал, что исследователи также выполнили свою работу с начала, или из первых принципов, что означает, что их расчеты были основаны на известной науке и не включали дополнительных допущений или параметров.

Они также разработали методы статистического обучения, раздел вычислительного искусственного интеллекта, для выявления альфа-кластеризации состояния Хойла и возможного получения стабильного углерода-12.

Вэйри сказал, что команда работала более десяти лет над разработкой своего программного обеспечения, совершенствованием кодов суперкомпьютера, выполнением вычислений и решением небольших проблем, продолжая текущую работу.

"Там много тонкостей - там происходит много красивых взаимодействий", - сказал Вэйри.

Все расчеты, физические величины и теоретические тонкости соответствуют тем экспериментальным данным, которые имеются в этом уголке ядерной физики, пишут исследователи.

Таким образом, они думают, что у них есть некоторые основные ответы о происхождении углерода-12. Вэйри сказал, что это должно привести к большему количеству исследований, направленных на поиск "мельчайших деталей" процесса и того, как он работает.

Было ли образование углерода, например, в основном результатом внутренних процессов в звездах? - спросил Вэри. Или это были взрывы сверхновых звезд? Или столкновения сверхплотных нейтронных звезд?

Теперь исследователям ясно одно: "Этот нуклеосинтез в экстремальных условиях приводит к образованию множества веществ, - сказал Вэйри, - включая углерод".