Cum ia naștere nucleul de Carbon-12? Un grup de cercetători care a folosit un super-computer și algoritmi de inteligență artificială încearcă să răspundă la această întrebare: nucleul poate să ia naștere în condiții extreme de temperatură și densitate – precum cele din inima stelelor sau în explozii de supernove – din unirea inițială a trei nuclee de Heliu-4?

Elementele chimice

La ora actuală cunoaștem mai bine de 100 de elemente chimice: de la hidrogen la plumb și la nuclee descoperite recent, precum Oganessonul, cu numărul atomic 118, sintetizat recent în laborator. Cum au luat naștere aceste elemente chimice? Hidrogenul a luat naștere imediat după Big Bang când s-au format și nuclee de deuteriu (un izotop al hidrogenului cu un proton și un neutron în nucleu) și heliu (doi protoni și doi neutroni). Elementele chimice mai grele însă nu au luat naștere atunci – întrucât Universul era în expansiune și se răcea, și reacțiile nucleare care produc elemente mai grele nu puteau să aibă loc (chiar dacă mici cantități  de litiu și beriliu s-au format, însă cantități cu adevărat foarte mici).

De unde provin atunci celelalte elemente chimice?

Procesele din stele

Suntem cu adevărat fii ai stelelor! Nu este doar o metaforă – elementele chimice din Univers, inclusiv cele din care suntem alcătuiți noi, au luat naștere în interiorul stelelor sau în procesele care au loc atunci când acestea explodează (supernove).

În inima stelelor au loc reacții de fuziune nucleară. La temperaturile extrem de mari de acolo nuclee ușoare se unesc între ele formând nuclee din ce în ce mai grele. Acest proces – până la formarea fierului – eliberează energie, care menține un echilibru cu atracția gravitațională. Până când acest echilibru este menținut steaua continuă să se mențină (relativ) stabilă. Când reacțiile de fuziune nucleară s-au terminat – nu mai sunt elemente chimice care să se unească între ele eliberând energie – echilibrul se „rupe” și steaua explodează – dând naștere unei supernove (dacă masa de plecare este mai mare ca cea a Soarelui).

În acest proces de explozie au loc alte reacții nucleare de fuziune între nuclee cu energii foarte mari, care duc mai departe la formarea elementelor chimice, cum ar fi cele grele.

Nucleul de Carbon-12

Carbonul-12, al cărui nucleu conține 6 protoni și 6 neutroni, este un element chimic la baza vieții terestre. Este deci extrem de important să înțelegem mai bine cum s-a format. Într-un articol recent publicat în Nature Communications un grup de cercetători a simulat utilizând un super-computer (Fugaku, din Japonia – RIKEN), de fapt cel mai puternic super-computer din lume, pornind de la așa-zise principii prime un proces care duce la formarea Carbonului-12. În mod specific grupul a studiat modul în care din unirea finală a trei nuclee alpha (adică de heliu) cu doi protoni și doi neutroni se formează mai întâi un nucleu de Carbon-12 instabil (cu energie mare) – numit Hoyle state. O fracțiune din aceste nuclee emit raze gamma dând naștere unor nuclee stabile de Carbon-12 – cele din care suntem făcuți și noi.

Acest proces este deosebit de complex – și pentru a-l studia și calcula cercetătorii au avut nevoie de 10 ani de studii intense, timp în care au dezvoltat și pus la punct algoritmii folosiți pentru a studia acest proces cu ajutorul super-computerului.

Ce urmează

Acest studiu arată cum procesele care au dus la formarea elementelor chimice necesare vieții sunt procese complexe, care au loc în condiții extreme – precum cele din inima stelelor, în explozia stelelor cu masă mare sau chiar și în ciocnirile de stele de neutroni. În viitor cercetătorii vor să studieze mai în detaliu aceste procese și să înțeleagă mai bine fiecare dintre aceste procese și contribuția lor la cantitatea de Carbon-12 din Univers și... din corpul nostru.

Credit imagine: Epelbaum et al

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe