Superkomputer wylicza tajemnicę węgla. Powinno być go milion razy mniej

W 1949 roku  Ralph Alpher i George Gamow wyjaśnili, jak powstały wodór i hel. Ich wyliczenia zgadzały się z obserwacjami proporcji tych pierwiastków we wszechświecie. Wszystkie cięższe pierwiastki mogły powstać dopiero we wnętrzach gwiazd, w wyniku syntezy termojądrowej. 

Naukowcy szybko jednak zauważyli, że węgiel nie powinien w takich reakcjach powstawać. Gdy jądro helu-4 (zwane też cząstką alfa) uderzy w jądro berylu-8, niezwykle rzadko powinien powstawać węgiel-12. Teoretycznie powinno się to zdarzać miliony razy rzadziej, niż wskazuje na to ilość węgla we Wszechświecie.

Astrofizyk Fred Hoyle zaproponował w 1953 roku, że obfitość węgla może być wynikiem zbiegu okoliczności. Umożliwia to szczególny, wzbudzony stan jądra węgla-12. Hoyle obliczył, jaką taki stan musi mieć energię, a eksperymenty rzeczywiście potwierdziły, że taki stan istnieje.

Później Hoyle wyjaśnił też, że podobny zbieg okoliczności nie zachodzi już dla dalszych zderzeń atomowych jąder (dzięki temu węgiel-12 nie zamienia się równie szybko w tlen-16). Jego wyliczenia stały się podstawą pracy znanej jako B2FH od nazwisk jej autorów: Margaret Burbidge, jej męża Geoffreya, Williama Fowlera i samego Hoyle’a. Czworo fizyków wyliczało w niej, jak w gwiazdach mogły powstawać pierwiastki od helu, przez beryl, węgiel i tlen po azot.

Szczególny stan wzbudzenia jąder węgla-12, czli Stan Hoyle’a, długo był dla naukowców trudny do wytłumaczenia. Istnieje tylko we wnętrzach gwiazd, w temperaturach dziesiątek milionów stopni i przy gęstości milionów atomów na centymetr sześcienny. Zaledwie w jednym przypadku na 2,5 tysiąca emituje foton promieniowania i staje się zwykłym jądrem węgla. Większość wzbudzonych jąder węgla-12 rozpada się na trzy jądra helu-4. 

Dlaczego ten szczególny stan w ogóle istnieje? Dla fizyków była to zagadka. W laboratoriach trudno jest odtworzyć warunki we wnętrzu gwiazdy. Fizycy mogą wytworzyć takie temperatury w reaktorach zwanych tokamakami, ale nie ciśnienie.

Jedynym rozwiązaniem były komputerowe symulacje. One też nie były proste. Pierwsze wykonano dopiero po nadejściu odpowiednio silnych superkomputerów. W 2012 roku naukowcom udało się odtworzyć, jak wygląda wzbudzone jądro węgla-12. Donosili o tym na łamach “Physical Review Letters".

Wyliczenia wskazywały, że ma ono kształt trójkąta, w którego wierzchołkach leżą trzy jądra helu-4 (zwane też cząstkami alfa). Niemieckiemu superkomputerowi JUGENE praca ta zajęła kilka tygodni, domowy komputer potrzebowałby na to dwóch stuleci.

Teraz badacze donoszą o wynikach innych obliczeń - tym razem na japońskim superkomputerze Fugaku w ośrodku obliczeniowym RIKEN. To najszybszy komputer na świecie, wykonujący setki bilionów (petaflopów) obliczeń na sekundę.

Obliczenia wskazują, że za wzbudzony stan jądra atomów węgla-12 rzeczywiście odpowiadają trzy cząstki alfa. To ich niezwykła stabilność sprawia, że łączą się w trójki, przez co węgiel w ogóle w gwiazdach powstaje. 

Gdyby nie ten szczególny proces nie byłoby takiej obfitości węgla w kosmosie ani na Ziemi. Fred Hoyle twierdził, że oparte na związkach węgla życie powstało dzięki niezwykłemu zbiegowi okoliczności we wnętrzach gwiazd. Dzięki superkomputerowym symulacjom fizycy wiedzą już, dlaczego taki zbieg okoliczności jest w ogóle możliwy.