[Перевод] Изначальное ядро как предвестник элементов жизни

Миллиарды лет назад весь углерод, существующий на Земле, появился внутри далёких умирающих звёзд. Сначала ядро каждого атома появилось в раздутом состоянии и в тесноте, с минимумом шансов на выживание. Из 2500 не выживших только одно превращалось в стабильную форму, способную поддерживать жизнь.

Мартин Фриир, физик-ядерщик и практик из Бирмингемского университета, сказал, что понимание структуры атомных ядер поможет объяснить частоту и механизмы превращения его в другие состояния, порождающие множество других элементов во Вселенной. Подсчёты помогают объяснить существование состояния Хойла и открыть, насколько Вселенная точно подстроена под возникновение жизни. «Если бы состояния Хойла не существовало, не было бы и нас, а если бы его энергия хоть была немного другой, жизнь пошла бы по другому пути»,- говорит Фрир.
Это доисторические нестабильное ядерное состояние, именуемое «состоянием Хойла», было открыто более 50 лет назад, но потребовалось появление суперкомпьютеров и разработка новых математических техник, чтобы понять, как его появление согласуется с законами физики. В работе, впервые представленной в мае 2011 года, и затем улучшенной для публикации в 2012 году в журнале Physical Review Letters, группа физиков-теоретиков из Германии и США применили физику к составленному компьютером набору субатомных частиц для построения с нуля структуры атома в состоянии Хойла.

«Выглядит, как согнутая рука»,- сказал Дин Ли, профессор ядерной физики в Университете штата Северная Каролина и соавтор работы.

Физики утверждают, что понимание структуры состояния Хойла поможет открыть, как оно способствует появлению углерода, кислорода, азота и других лёгких элементов, составляющих сложные молекулы живых организмов. Синтез этих элементов даёт начало жизни, а также поддерживает эволюцию звёзд.

«Углерод-кислород-азотный цикл просто необходим для формирования остальных элементов, и для понимания того, как живут и умирают звёзды,- говорит Мортен Хьорт-Дженсен [Morten Hjorth-Jensen], профессор теоретической ядерной физики из Университета Осло и Университета штата Мичиган, не участвовавший в проекте. – И, конечно же, без состояния Хойла и нас бы тут не было».

Фред Хойл в 1967 году в Калифорнийском технологическом

Поиски разгадок состояния Хойла начались в 1954 году, с возникновения того, что пишущий про астрофизику Маркус Чоун назвал «самым вопиющим предсказанием» науки. Астрофизик-теоретик Фред Хойл рассудил, что его собственное существование доказывает, что внутри звёзд должно возникать неизвестное, экзотическое состояние атома углерода с 7,65 МэВ дополнительной энергии, несмотря на то, что никто никогда не фиксировал спектрального излучения такого атома.

«Хойл постулировал, что для существования жизни необходимо существование 7,65 МэВ углерода,- говорит Хьорт-Дженсен. – И потом, через 4-5 лет, экспериментаторы из Калтека действительно нашли это состояние Хойла в излучении».

Как и было предсказано, почти все ключевые элементы жизни происходит из этой скоротечной формы углерода. Когда в звёздах средней величины, таких, как Солнце, начинает заканчиваться водород, из которого синтезируется гелий, их внешние слои расширяются и краснеют, а ядра сжимаются. Во время сжатия ядро гелия (альфа-частицы), содержащие по два протона и два нейтрона, сжимаются вместе так сильно, что превращаются в ядро атома из четырёх протонов и четырёх нейтронов, называемое бериллий-8. В одну тысячную долю триллионной доли секунды до того, как бериллий распадается обратно на две альфа-частицы, третья альфа-частица иногда проникает в него, и сливается, образуя возбуждённое увеличенное ядро углерода-12: состояние Хойла. В дополнение к обычным для углерода шести протонам и шести нейтронам, в этом состоянии содержится и лишняя энергия.

Ядро в состоянии Хойла почти всегда распадается на бериллий и альфа-частицу. Но один раз из 2500 этот раздутый углерод переходит в стабильное состояние, выдавая лишнюю энергию в виде гамма-лучей. Созданные ядра углерода-12 расползаются по таблице Менделеева: некоторые остаются в таком виде, друге сливаются с другой альфа-частицей и образуют кислород. Часть кислородных ядер теряет протон и превращается в азот. Другие сливаются ещё с одной альфа-частицей и превращаются в неон, и так далее. Если звезда заканчивает взрывом сверхновой, она разбрасывает все вновь созданные элементы в космос, и они становятся кирпичиками будущих солнечных систем.

Хойл, ушедший от нас в 2001 году, знал, что без состояния Хойла в начальный момент, эти элементы не появятся. Состояние Хойла – это резонанс углерода, сформированного атомом бериллия и альфа-частицей, в том смысле, что в нём содержится почти столько же энергии, сколько составляет их суммарная масса. В стабильном углероде-12 энергии меньше, поэтому он не появляется через синтез альфа-частицы и бериллия, точно так же, как два плюс два не дают три. «Существование всех этих стабильных состояний говорит о необходимости резонанса»,- говорит Хьорт-Дженсен.

Но Хойл предсказывал лишь энергию резонансного состояния углерода; он ничего не мог сказать по поводу сил и взаимодействий, приводящих к его появлению, или по поводу его физических свойств. Так как углерод содержит шесть протонов и шесть нейтронов, в каждом из которых есть по три кварка, состояние Хойла представляет собой очень сложную задачу 36 тел. После десятилетий работы физиков-ядерщиков и даже при помощи современных компьютеров точное вычисление этого состояния остаётся недоступным.

Новый подход, киральная эффективная теория (КЭТ), разработанная нобелевским лауреатом, Стивеном Вайнбергом, позволила Ли с коллегами создать хорошее приближение к структуре состояния Хойла. Трюк использует тот факт, что протоны и нейтроны в ядре держатся друг от друга на расстояниях, поэтому они «видят» друг друга не как структуры из трёх кварков, но как цельные, хотя и сложные, частицы.

Если забыть про кварки, то задача 36 тел превращается в задачу 12 тел, но с сильным взаимодействием, электромагнетизмом и киральными силами высшего порядка, управляющими взаимодействиями всех частиц. И даже такая задача пока не получила точного решения. «Установить, где конкретно находятся все двенадцать протонов и нейтронов оказывается ужасно сложно»,- говорит Ли.

Для того, чтобы расчёты состоялись, КЭТ применяет математический трюк, иногда используемый в старших классах. Так же, как математическую функцию, представляемую кривой на графике, можно примерно рассчитать, подсчитав первые несколько членов ряда Тейлора – бесконечной суммы всё уменьшающихся членов – вокруг точки на кривой, исследователи аппроксимируют силы, создающие состояние Хойла, рассматривая лишь первые несколько членов в рядах Тейлора для этих сил.

«Мне нравится сравнивать это с попаданием в par-3 лунку в гольфе [лунка, попадание в которую у профессионального гольфиста должно отнять не более трёх ударов – прим. перев.]»,- говорит Ли. Первый удар, как первые члены ряда Тейлора, «приводит шар как можно ближе к лунке». Второй удар, как члены, уже не так сильно влияющие на движение частиц, подводит шар ещё ближе. Третий удар – небольшая подстройка. После трёх ударов у вас получается очень хорошая аппроксимация структуры и энергии состояния Хойла.

Физики подсчитывают состояние Хойла на суперкомпьютере JUGENE в Юлихском суперкомпьютерном центре в Германии. Машина от IBM достигает мощности в 222,8 терафлоп.

Когда суперкомпьютер применяет такие вычисления в симуляции для шести протонов и шести нейтронов, расположенных на трёхмерной решётке, частицы могут выстраиваться бесконечным множеством способов. Однако в природе встречаются лишь конфигурации низшей энергии. Среди них и было найдено состояние углерода с низкой энергией. А ещё одно из них – это состояние Хойла, с 7,65 МэВ дополнительной энергии.

На среднем ноутбуке вычисления, проведённые немецким суперкомпьютером JUGENE, заняли бы больше двухсот лет.

«Начиная от основных принципов, не нужно подстраивать вашу модель, чтобы она соответствовала сложным искомым объектам; нужно рассчитывать объекты с начальной точки самых простых взаимодействий между частицами»,- говорит Ли, работавший вместе с Евгением Эпельбаумом, Германом Кребсом, Ульфом-Дж. Мейснером и Тимо Лэде. [Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner, Timo Laehde]

Состояние Хойла, как согнутая рука, принимает форму тупоугольного треугольника с альфа-частицей в каждой вершине. Дополнительная энергия ядра позволяет альфа-частицам раздвинуться дальше друг от друга, чем это происходит с углеродом-12 в основном состоянии, треугольник которого равносторонний.

Мартин Фриир, физик-ядерщик и практик из Бирмингемского университета, сказал, что понимание структуры атомных ядер поможет объяснить частоту и механизмы превращения его в другие состояния, порождающие множество других элементов во Вселенной. Подсчёты помогают объяснить существование состояния Хойла и открыть, насколько Вселенная точно подстроена под возникновение жизни. «Если бы состояния Хойла не существовало, не было бы и нас, а если бы его энергия хоть была немного другой, жизнь пошла бы по другому пути»,- говорит Фрир.

Увеличивая разрешение трёхмерной решётки в симуляции, Ли с коллегами надеются уточнить своё представление о состоянии Хойла и лучше понять физику, делающую жизнь возможной. «Нам всегда хочется решать вопросы, связанные с нами самими,- говорит Ли. – Когда на кону жизнь, это становится очень интересным».