FoodPro Preloader

Hoyle-staten: En primordial kjerne bak livets elementer


Fra Simons Science News (finn originalhistorie her) Milliarder år siden brøt hele jordens karbon inn i eksistensen i fjerne, døende stjerner. Først oppstod hvert atoms kjernekraft i en hovent, knust tilstand med liten sjanse for overlevelse. For hver 2.500 som umiddelbart fizzled, bare en form-skiftet til en stabil form som er i stand til å støtte livet. Den

Fra Simons Science News (finn originalhistorie her)

Milliarder år siden brøt hele jordens karbon inn i eksistensen i fjerne, døende stjerner. Først oppstod hvert atoms kjernekraft i en hovent, knust tilstand med liten sjanse for overlevelse. For hver 2.500 som umiddelbart fizzled, bare en form-skiftet til en stabil form som er i stand til å støtte livet.

Den opprinnelige, ustabile kjernefysiske tilstanden, kalt Hoyle-staten, ble oppdaget for mer enn 50 år siden, men det har tatt oppveksten av moderne superdatamaskiner og utviklingen av nye matematiske teknikker for å finne ut hvordan fysikkens lover koker det opp. I arbeidet først beskrevet i mai 2011 og videreutviklet i et papir som skal bli publisert denne måneden i Fysisk gjennomgangstavler, brukte en gruppe teoretiske fysikere i Tyskland og USA fysikkens krefter til et datamasimulert sett med subatomære partikler for å bygge strukturen av Hoyle State-kjernen fra grunnen av.

"Det ser ut som en bøyd arm, " sa Dean Lee, professor i atom- og partikkelfysikk ved North Carolina State University og en studieforfatter.

Fysikere sier å vite strukturen i Hoyle-staten vil bidra til å avsløre hvordan det gir opphav til karbon, oksygen, nitrogen og andre lyselementer som komponerer de komplekse molekylene av levende ting. Syntesen av disse elementene muliggjør livets genesis, men det driver også evolusjonen av stjerner.

"Kullsyre-oksygen-nitrogen-syklusen er ganske enkelt avgjørende for dannelsen av nesten alle de andre elementene, og for å forstå hvordan stjernene lever og hvordan stjernene forfall og visne bort, " sa Morten Hjorth-Jensen, professor i teoretisk kjernefysikk ved Universitetet i Oslo og Michigan State University, som ikke var involvert i forskningen. "Og selvfølgelig, uten Hoyle-staten, ville vi ikke være her."

Oppdraget å løse Hoyle-staten startet i 1954 med hva astrofysikforfatteren Marcus Chown har kalt "den mest opprørende prediksjonen" som er gjort i vitenskapen. Den teoretiske astrofysiker Fred Hoyle begrunnet at hans egen eksistens innebar at en ukjent eksotisk tilstand av karbonatomet med ca. 7, 65 millioner elektronvolter av ekstra energi må oppstå i døende stjerner, selv om ingen noensinne har oppdaget spektralutslipp fra et slikt atom.

"Hoyle postulerte at dette 7, 65 MeV karbon måtte eksistere for at det skulle være liv, " sa Hjorth-Jensen. "Så fire eller fem år senere fant en eksperimentell gruppe i Caltech faktisk denne Hoyle-staten i utslipp."

Akkurat som spådd, kommer nesten alle nøkkelelementene i livet ned fra den flyktige karbonformen. Når mellomstore stjerner som vår sol går lite på hydrogen for å smelte inn i helium, ekspanderer deres ytre lag og redder, og deres kjerner krympes. Under denne indre sammentrekning presses heliumkjerner (også kalt alfa-partikler), som hver inneholder to protoner og to nøytroner, sammen så kraftig at de smelter, og danner en fire-proton, fire-nøytron atomkjerne kalt beryllium-8. I den ti tusen av en trillionth av et sekund før berylliumet faller tilbake i to alfa partikler, smelter en tredje alfa partikkel noen ganger inn i berylliumet og smelter sammen med den for å danne et spennende, pluss størrelse karbon-12-kjerne: Hoyle-tilstanden . I tillegg til karbonens vanlige seks protoner og seks nøytroner pakker denne tilstanden en ekstra bunt av energi.

Hoyle statlige kjerner ødelegge nesten alltid tilbake i beryllium og en alfapartikkel. Men en gang ut av hver 2.500 ganger slapper disse hovne karbonene inn i deres stabile, jordbaserte konfigurasjon, og gir av den ekstra energien som en utbrudd av gammastråler. Den splitter nye karbon-12-kjernen som er opprettet, fyller etter det periodiske tabellen: Noen forblir som de er, mens andre smelter sammen med en annen alfapartikkel for å bli oksygen. En brøkdel av oksygenkjernene fjernes fra et proton, som omdannes til nitrogen; andre smelter med enda en alfa til å bli neon, og så videre. Hvis stjernen slutter i en katastrofisk eksplosjon kalt en supernova, sprer den disse nyverdige elementene inn i rommet, hvor de til slutt blir byggeklossene til fremtidige solsystemer.

Hoyle, som døde i 2001, visste at disse elementene ikke ville oppstå uten Hoyle-staten som utgangspunkt. Hoyle-tilstanden er en "resonans" av karbon dannet av et berylliumatom og alfa-partikkel, noe som betyr at den har nesten nøyaktig den samme energien som de kombinerte massene. Jord-statisk karbon-12 har lavere energi, og det dannes derfor ikke ved sammensmelting av en alfapartikkel og beryllium, akkurat som to pluss to ikke er like tre. "For alle disse stabile tilstandene skal skje, må det være resonans, " sa Hjorth-Jensen.

Men Hoyle forutslo bare energien til resonanstilstanden av karbon; han kunne ikke si noe om de krefter og samspill som gjør det mulig å danne det, eller noe om dens fysiske egenskaper. Fordi karbon inneholder seks protoner og seks nøytroner, som hver inneholder tre kvarker, utgjør Hoyle-staten et svært komplekst 36-kroppsproblem. Til tross for flere tiår med kjernefysikere, er en nøyaktig beregning av staten, selv med moderne databehandling, fortsatt utenfor rekkevidde.

Nå har en tilnærming kalt kiral effektiv feltteori, utviklet av Nobelpristageren Steven Weinberg, gjort det mulig for Lee og hans kolleger å nøye tilnærme strukturen til Hoyle-staten. Trikset utnytter det faktum at protoner og nøytroner har en tendens til å holde avstanden fra hverandre inne i atomkjerner, slik at de "ser" hverandre ikke som trekvarkstrukturer, men som enkelt, om enn litt kompliserte partikler.

Å glemme kvark gjør et 36-kropps problem i et 12-kropps problem, men med den sterke atomkraft, elektromagnetisme og "høyere-orden" -chirale krefter som virker mellom hver partikkel, er dette problemet enda en nøyaktig løsning. "Pinning der alle tolv protoner og nøytroner er, er bare en forferdelig komplisert ting, " sa Lee.

For å gjøre beregningen mulig, bruker chiral effektiv feltteori et matte trick noen ganger brukt i videregående kalkulator. På samme måte som en matematisk funksjon, som en kurve på en graf, kan tilnærmes ved å beregne de første betingelsene i en "Taylor-serie utvidelse" - en uendelig sum av gradvis mindre termer - rundt et punkt på kurven, forskere tilnærmte kreftene som danner Hoyle-staten ved å bare vurdere de første betingelsene for en Taylor-serie utvidelse av disse styrkene.

"Jeg liker å sammenligne det med å skyte en par 3 i golf, " sa Lee. Det første slaget, som er analogt med de ledende vilkårene i Taylor-seriens ligning, "driver ballen så nær hullet som mulig." Det andre slaget, som representerer betingelsene med middels innflytelse på partikkelsens bevegelse, får deg enda nærmere. Den tredje er en subtil korrigering. Etter tre slag har du en veldig god tilnærming til strukturen og energien til Hoyle-staten.

Når en supercomputer bruker denne beregningen til en simulering av seks protoner og seks nøytroner fordelt på et tredimensjonalt gitter, kan partiklene ordne seg som svar på det på uendelig mange måter. Imidlertid er bare de laveste energikonfigurasjonene av partiklene vanlige i naturen. Av disse fant forskerne at en av løsningene var bakken-statisk karbonkjerne. En annen var Hoyle-staten, med sin 7.65 MeV ekstra energi.

Beregningen, utført av Tysklands JUGENE-supercomputer, ville ha tatt en typisk bærbar datamaskin for mer enn to århundrer for å fullføre.

"Når du går fra første prinsipper, justerer du ikke modellen din for å matche kompliserte objekter du søker. du beregner objektene fra utgangspunktet for de mest grunnleggende samspillene mellom partikler, "sa Lee, som samarbeidet med Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner og Timo Laehde.

Som en bøyd arm tar Hoyle-staten formen av en stump trekant med en alfapartikkel på hvert toppunkt. Kjernenes overskuddsenergi gjør at alfaklustene kan strekke seg lenger fra hverandre enn klyngene i grunntilstands-karbon-12, som trekker sammen i en tett, ensidig trekant.

Martin Freer, en eksperimentell kjernefysiker ved Universitetet i Birmingham, sa at kjennskap til strukturen i atomkjernen vil bidra til å forklare de hastigheter og mekanismer som den forvandler til andre stater, og begå mange av de andre elementene i universet. Beregningen bidrar til å forklare hvorfor Hoyle-tilstanden eksisterer, og lover å avsløre hvor finjustert universet er for livet. "Hvis Hoyle-staten ikke skulle eksistere, ville vi heller ikke, og selv om energien var litt annerledes, ville livet måtte ha funnet en alternativ rute, " sa Freer.

Ved å øke oppløsningen til 3-D-gitteret i simuleringen håper Lee og hans kolleger å forfinne sitt bilde av Hoyle-staten og bedre forstå fysikken som gjør livet mulig. "Vi vil alltid løse de store spørsmålene som intriger oss om oss selv, " sa Lee. "Når livet står på spill, blir det interessant."

Reprinted med tillatelse fra Simons Science News, en redaksjonelt uavhengig divisjon av SimonsFoundation.org. Målet er å styrke den offentlige forståelsen av vitenskapen ved å dekke utviklingsutviklingene og trender innen matematikk og beregningsfag, fysikk og biovitenskap.

Inaktive øyeblikk blir til mange luftforurensende stoffer på skoleneForskjellige slag: Nye motorforurensninger med lavere forurensning kan redde liv og bekjempe klimaendring [lysbildefremvisning]Betal snavs: Slik setter du Tar Sands inn i olje [Slide Show]Leder av US Chemical Safety Board fraråderNASAs neste Mars Rover til Land på Huge Gale CraterJourneying til den gamle jorden og Quantum RealmNy teleskopstrategi kan løse Dark Matter MysteryNew York City kunne se 6-fots sjøstigning, tripling av varmebølger innen 2100