Ces simulations informatiques montrent les structures du carbone 12 dans l’état instable et excité de Hoyle et dans l’état stable de base, la substance de la vie. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de James Vary/Iowa State University.
Avec l’aide du superordinateur le plus puissant du monde et de nouvelles techniques d’intelligence artificielle, une équipe internationale de scientifiques a formulé une théorie sur la façon dont les conditions extrêmes des étoiles produisent du carbone 12, qu’ils décrivent comme “une passerelle essentielle à la naissance de la vie.”
La question fondamentale des chercheurs était la suivante : “Comment le cosmos produit-il du carbone 12 ?”, a déclaré James Vary, professeur de physique et d’astronomie à l’université d’État de l’Iowa et membre de longue date de la collaboration de recherche.
“Il s’avère qu’il n’est pas facile de produire du carbone 12”, a déclaré Vary.
Il faut une chaleur et des pressions extrêmes à l’intérieur des étoiles ou lors de collisions et d’explosions stellaires pour créer des noyaux de carbone émergents, instables, à l’état d’excitation, avec trois amas faiblement liés, chacun avec deux protons et deux neutrons. Une fraction de ces noyaux de carbone instables peut dégager un peu d’énergie supplémentaire sous forme de rayons gamma et devenir la substance de la vie, le carbone 12 stable.
Un article de recherche récemment publié en ligne par le journal Nature Communications décrit les simulations sur superordinateur des chercheurs et la théorie qui en résulte pour la structure nucléaire du carbone qui favorise sa formation dans le cosmos. L’auteur correspondant est Takaharu Otsuka de l’Université de Tokyo, du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science et du Advanced Science Research Center de l’Agence japonaise de l’énergie atomique.
L’article décrit comment les particules alpha – des atomes d’hélium 4, avec deux protons et deux neutrons – peuvent se regrouper pour former des atomes beaucoup plus lourds, y compris un état instable et excité de carbone 12 connu sous le nom d’état de Hoyle (prédit par l’astrophysicien théorique Fred Hoyle en 1953 comme un précurseur de la vie telle que nous la connaissons).
Les chercheurs écrivent que cet amas de particules alpha “est une idée très belle et fascinante et est en effet plausible car la particule (alpha) est particulièrement stable avec une grande énergie de liaison.”
Pour tester la théorie, les chercheurs ont effectué des simulations sur superordinateur, notamment des calculs sur le superordinateur Fugaku du RIKEN Center for Computational Science à Kobe, au Japon. Fugaku est répertorié comme le superordinateur le plus puissant du monde et est trois fois plus puissant que le numéro 2, selon le dernier classement TOP500 des superordinateurs.
Vary a déclaré que les chercheurs ont également effectué leurs travaux ab initio, ou à partir des premiers principes, ce qui signifie que leurs calculs étaient basés sur la science connue et n’incluaient pas d’hypothèses ou de paramètres supplémentaires.
Ils ont également développé des techniques d’apprentissage statistique, une branche de l’intelligence artificielle computationnelle, pour révéler le regroupement alpha de l’état de Hoyle et la production éventuelle de carbone-12 stable.
Vary a déclaré que l’équipe a travaillé pendant plus d’une décennie pour développer son logiciel, affiner les codes de son superordinateur, effectuer ses calculs et résoudre des problèmes plus petits, tout en se développant jusqu’au travail actuel.
“Il y a beaucoup de subtilité – beaucoup de belles interactions qui se passent là-dedans”, a déclaré Vary.
Tous les calculs, les quantités physiques et la subtilité théorique correspondent aux données expérimentales disponibles dans ce coin de la physique nucléaire, ont écrit les chercheurs.
Ils pensent donc avoir quelques réponses fondamentales sur les origines du carbone 12. Vary a déclaré que cela devrait conduire à d’autres études visant à rechercher des “détails fins” sur le processus et son fonctionnement.
La production de carbone, par exemple, était-elle principalement le résultat de processus internes aux étoiles ? Demande Vary. Ou s’agissait-il d’explosions d’étoiles en supernova ? Ou des collisions d’étoiles à neutrons super denses ?
Une chose est désormais claire pour les chercheurs : “Cette nucléosynthèse dans des environnements extrêmes produit beaucoup de choses”, a déclaré Vary, “notamment du carbone”.
Référence : “α-Clustering in atomic nuclei from first principles with statistical learning and the Hoyle state character” par T. Otsuka, T. Abe, T. Yoshida, Y. Tsunoda, N. Shimizu, N. Itagaki, Y. Utsuno, J. Vary, P. Maris et H. Ueno, 27 avril 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-29582-0
En plus de James Vary et Pieter Maris de l’Université d’État de l’Iowa et de Takaharu Otsuka de l’Université de Tokyo, l’équipe de recherche comprend :
- Takashi Abe du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science et du Center for Nuclear Study de l’Université de Tokyo.
- TooruYoshida, du Centre d’études nucléaires de l’Université de Tokyo et de l’Organisation de recherche en sciences et technologies de l’information.
- Yusuke Tsunoda du Centre d’études nucléaires de l’Université de Tokyo.
- Noritaka Shimizu du Centre d’études nucléaires de l’Université de Tokyo.
- Naoyuki Itagaki de l’Institut Yukawa de physique théorique de l’Université de Kyoto
- .
- Yutaka Utsuno du Centre de recherche scientifique avancée de l’Agence japonaise de l’énergie atomique et du Centre d’étude nucléaire de l’Université de Tokyo.
- Et Hideki Ueno du Centre RIKEN Nishina pour la science basée sur les accélérateurs
