Neue Studie zur Ursprungsgeschichte von Kohlenstoff-12

Diese Computersimulationen zeigen die Strukturen von Kohlenstoff-12 im instabilen, angeregten Hoyle-Zustand und im stabilen Grundzustand. (Credits: Image courtesy of James Vary)
Diese Computersimulationen zeigen die Strukturen von Kohlenstoff-12 im instabilen, angeregten Hoyle-Zustand und im stabilen Grundzustand. (Credits: Image courtesy of James Vary)

Mit der Hilfe des leistungsfähigsten Supercomputers auf der Erde und neuen Methoden bezüglich künstlicher Intelligenz hat ein internationales Forschungsteam Vermutungen angestellt, wie die extremen Bedingungen im Innern von Sternen Kohlenstoff-12 produzieren. Die Forscher beschreiben es als ein “entscheidendes Tor zur Geburt des Lebens”.

Die grundlegende Frage der Wissenschaftler: “Wie produziert das Universum Kohlenstoff-12?”, sagte James Vary, ein Professor für Physik und Astronomie an der Iowa State University und langjähriges Mitglied des Forschungsteams. “Es stellte sich heraus, dass die Bildung von Kohlenstoff-12 nicht leicht ist.”

Die extreme Hitze und die Druckverhältnisse im Innern von Sternen oder bei stellaren Kollisionen und Explosionen sind erforderlich, um instabile, angeregte Kohlenstoffkerne mit drei lose verbundenen Gruppen zu erschaffen, jede bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Ein Bruchteil dieser instabilen Kohlenstoffkerne kann ein wenig zusätzliche Energie in der Form von Gammastrahlung emittieren und zu stabilem Kohlenstoff-12 werden, dem Stoff des Lebens.

Eine kürzlich im Journal Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt die Supercomputersimulationen des Teams und die resultierende Theorie zur Kernstruktur von Kohlenstoff, die dessen Entstehung im Universum begünstigt. Der Hauptautor ist Takaharu Otsuka von der University of Tokyo, der auch am RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science und am Advanced Science Research Center der Japan Atomic Energy Agency tätig ist.

Die Studie beschreibt, wie Alphateilchen (Helium-4-Atome mit zwei Protonen und zwei Neutronen) sich zusammenfinden können, um viel schwerere Atome zu bilden, darunter einen instabilen, angeregten Zustand von Kohlenstoff-12, der als der Hoyle-Zustand bezeichnet wird. Er wurde 1953 von dem theoretischen Astrophysiker Fred Hoyle als Vorläufer des Lebens, wie wir es kennen, vorhergesagt.

Die Forscher schreiben, dass die Gruppierung dieser Alphateilchen eine sehr schöne und faszinierende Theorie ist und dass sie tatsächlich plausibel ist, weil das Alphateilchen besonders stabil ist und eine hohe Bindungsenergie aufweist.

Um die Theorie zu testen, ließen die Forscher Supercomputersimulationen laufen, darunter Berechnungen mit dem Fugaku-Supercomputer am RIKEN Center for Computational Science in Kobe (Japan). Fugaku ist Top500 zufolge als der leistungsfähigste Supercomputer weltweit gelistet und dreimal leistungsfähiger als die Nummer 2.

Vary sagte, das Team führte die Arbeit von Grund auf durch, was bedeutet, dass die Berechnungen auf bekannter Wissenschaft basierten und keine zusätzlichen Annahmen oder Parameter umfassten. Die Forscher entwickelten auch Methoden zum statistischen Lernen, einem Zweig der künstlichen Intelligenz, um die Clusterbildung von Alphateilchen im Hoyle-Zustand und letztendlich die Erzeugung von stabilem Kohlenstoff-12 zu offenbaren.

Vary sagte, das Team habe mehr als ein Jahrzehnt an der Entwicklung der Software, sowie an der Anpassung des Codes für den Supercomputer und der Durchführung der Berechnungen gearbeitet und auf dem Weg zu der aktuellen Studie kleinere Probleme gelöst. “Es gibt viele Feinheiten – dort laufen viele schöne Wechselwirkungen ab”, sagte er.

All die Berechnungen, physikalischen Eigenschaften und theoretischen Raffinessen passen zu den Daten von Experimenten, die es in diesem Bereich der Kernphysik gibt. Daher denken sie, dass sie einige grundlegende Antworten über die Ursprünge von Kohlenstoff-12 haben. Vary sagte, dass dies zu weiteren Studien führen sollte, die nach “Feinheiten” hinsichtlich der Prozesse und der Funktionsweisen suchen.

Beispielsweise geht es um die Frage, ob die Kohlenstoffbildung hauptsächlich die Folge interner Prozesse in Sternen war, oder ob es Supernova-Explosionen waren. Oder Kollisionen von superdichten Neutronensternen. Eins ist für die Forscher jetzt klar: “Diese Nukleosynthese unter extremen Bedingungen produziert eine ganze Menge Materie – Kohlenstoff eingeschlossen”, sagte Vary.

Quelle

(THK)

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