Forscher enthüllen die Entstehungsgeschichte von Kohlenstoff-12, einem Baustein des Lebens

Forscher enthüllen die Entstehungsgeschichte von Kohlenstoff-12, einem Baustein des Lebens

Diese Computersimulationen zeigen die Strukturen von Kohlenstoff-12 im instabilen, angeregten Hoyle-Zustand und als stabilen Grundzustand, dem Stoff des Lebens. Bildnachweis: James Vary/Iowa State University

Mit Hilfe des leistungsstärksten Supercomputers der Welt und neuer Techniken der künstlichen Intelligenz hat ein internationales Forscherteam theoretisiert, wie die extremen Bedingungen in Sternen Kohlenstoff-12 produzieren, das sie als „ein entscheidendes Tor zur Geburt des Lebens“ beschreiben.

Die grundlegende Frage der Forscher lautete: “Wie produziert der Kosmos Kohlenstoff-12?” sagte James Vary, Professor für Physik und Astronomie an der Iowa State University und langjähriges Mitglied der Forschungskooperation.

“Es stellt sich heraus, dass es nicht einfach ist, Kohlenstoff-12 herzustellen”, sagte Vary.

Es dauert die extreme Hitze und Drücke innerhalb von Sternen oder bei Sternkollisionen und -explosionen, um entstehende, instabile Kohlenstoffkerne im angeregten Zustand mit drei lose verbundenen Klumpen mit jeweils zwei Protonen und zwei Neutronen zu erzeugen. Ein Bruchteil dieser instabilen Kohlenstoffkerne kann ein wenig zusätzliche Energie in Form von Gammastrahlen abstrahlen und zu stabilem Kohlenstoff-12 werden, dem Stoff des Lebens.

Ein kürzlich veröffentlichtes Papier von Naturkommunikation beschreibt die Supercomputer-Simulationen der Forscher und die daraus resultierende Theorie für die Kernstruktur von Kohlenstoff, die seine Bildung im Kosmos begünstigt.

Das Papier beschreibt, wie Alpha-Teilchen– Helium-4-Atome mit zwei Protonen und zwei Neutronen – können sich zu viel schwereren Atomen zusammenlagern, einschließlich eines instabilen, angeregten Kohlenstoff-12-Zustands, der als Hoyle-Zustand bekannt ist (vorhergesagt vom theoretischen Astrophysiker Fred Hoyle im Jahr 1953 als Vorläufer des Lebens als wir wissen es).

Die Forscher schreiben, dass diese Alpha-Partikel-Clusterbildung “eine sehr schöne und faszinierende Idee ist und in der Tat plausibel ist, weil das (Alpha-)Teilchen bei einer großen Bindungsenergie besonders stabil ist.”

Um die Theorie zu testen, führten die Forscher Supercomputer-Simulationen durch, einschließlich Berechnungen auf dem Fugaku-Supercomputer am RIKEN Center for Computational Science in Kobe, Japan. Fugaku wird als der leistungsstärkste Supercomputer der Welt aufgeführt und ist laut der neuesten TOP500-Supercomputer-Rangliste dreimal leistungsstärker als die Nummer 2.

Vary sagte, die Forscher hätten ihre Arbeit auch von Anfang an oder von Grund auf durchgeführt, was bedeutet, dass ihre Berechnungen auf bekannter Wissenschaft beruhten und keine zusätzlichen Annahmen oder Parameter enthielten.

Sie entwickelten auch Techniken im statistischen Lernen, einem Zweig der rechnergestützten künstlichen Intelligenz, um Alpha-Clustering des Hoyle-Zustands und die eventuelle Produktion von stabilem Kohlenstoff-12 aufzudecken.

Vary sagte, das Team habe mehr als ein Jahrzehnt daran gearbeitet, seine Software zu entwickeln, seine Supercomputer-Codes zu verfeinern, seine Berechnungen durchzuführen und kleinere Probleme zu lösen, während es auf die aktuelle Arbeit aufbaut.

„Es gibt viel Subtilität – viele schöne Interaktionen, die dort stattfinden“, sagte Vary.

Alle Berechnungen, physikalischen Größen und theoretischen Feinheiten stimmen überein Versuchsdaten In dieser Ecke gebe es Kernphysik, schrieben die Forscher.

Sie glauben also, einige grundlegende Antworten auf die Ursprünge von Kohlenstoff-12 zu haben. Vary sagte, dass dies zu mehr Studien führen sollte, die nach „feinen Details“ über den Prozess und seine Funktionsweise suchen.

War die Kohlenstoffproduktion zum Beispiel hauptsächlich das Ergebnis interner Prozesse in Sternen? fragte Vari. Oder waren es Supernova-Sternenexplosionen? Oder Kollisionen superdichter Neutronensterne?

Eines ist den Forschern nun klar: „Diese Nukleosynthese in extreme Umgebungen produziert eine Menge Zeug”, sagte Vary, “einschließlich Kohlenstoff.”


Existieren Alphateilchen-Kondensate in Sauerstoffkernen?


Mehr Informationen:
T. Otsuka et al, α-Clustering in Atomkernen aus ersten Prinzipien mit statistischem Lernen und dem Hoyle-Zustandscharakter, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29582-0

Zur Verfügung gestellt von
Staatliche Universität von Iowa


Zitieren: Forscher enthüllen die Entstehungsgeschichte von Kohlenstoff-12, einem Baustein für das Leben (2022, 11. Mai), abgerufen am 11. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-reveal-story-carbon-block-life .html

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