Немецкие ученые совместно со своими американскими коллегами при помощи суперкомпьютера с большой точностью вычислили так называемое «состояние Хойла»— особое возбужденное состояние углерода, необходимое для ядерного синтеза в тяжелых звездах. Теперь исследователи надеются окончательно разгадать тайну происхождения Вселенной и жизненно важных элементов на Земле.

Физики из Боннского и Рурского университетов (Германия) вычислили высокоэнергетическое состояние ядра углерода, позволяющее происходить тройной гелиевой реакции и, таким образом, ядерному синтезу в тяжелых звездах, так называемых Красных гигантах. Работа ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Для справок: Красные гиганты – это звезды, в ядре которых уже закончилось горение водорода. Их ядро состоит из гелия, но так как температура ядерного горения гелия больше, чем температура горения водорода, то гелий не может загореться. Поскольку больше нет выделения энергии в ядре, оно перестает находиться в состоянии гидростатического равновесия и начинает быстро сжиматься и нагреваться под действием сил гравитации.

Гипотеза Хойла

Высокоэнергетическое состояние ядра атома углерода было описано еще в 1954 году известным британским астрономом Фредом Хойлом. Подобное состояние было предсказано ученым на основании наблюдаемого изобилия тяжелых элементов во Вселенной. Однако на протяжении почти 50 лет гипотеза Хойла не находила подтверждения.

Рис. 1. Британский астроном Фред Хойл первым
описал экзотическое состояние атома углерода.

Причина, по которой «состояние Хойла» крайне сложно поймать, заключается в том, что эта форма углерода не существует в одиночку, ей всегда сопутствуют другие формы углерода. «Состояние Хойла» представляет собой три свободно связанных ядра гелия (есть несколько гипотез того, как эти ядра связаны), причем их степень свободы гораздо больше таковой у ядра углерода.

«Попытки поймать „состояние Хойла“ больше похожи на попытку проанализировать радиосигнал, главный передатчик которого и несколько сопутствующих ему вмешиваются в работу друг друга. Главный передатчик— устойчивое ядро углерода, из которого „сделаны“ люди. Но мы интересуемся одним из непостоянных, богатых энергией ядер углерода. Иными словами, мы должны отделить более слабый радиопередатчик от доминирующего сигнала посредством шумового фильтра»,— объяснил профессор Евгений Эпельбаум (Evgeny Epelbaum) из Института Теоретической Физики Рурского университета.

Рис. 2. Углерод входит в состав всех живых существ
на Земле (источник: istockphoto.com/ DAVID FREUND).

Суперкомпьютер помог

Если, к примеру, 10 лет назад секрет «состояния Хойла» было разгадать невозможно, то теперь с помощью специальной программы, установленной на суперкомпьютере JUGENE, ученые смогли вычислить величину силы между несколькими ядерными частицами с наивысшей точностью.

Как было сказано выше, высокоэнергетическое состояние ядра углерода позволяет происходить реакции ядерного синтеза в тяжелых звездах. Если бы «состояния Хойла» не существовало, то углерода и других элементов, таких как кислород, азот и железо, во Вселенной и на Земле было бы гораздо меньше, объясняет профессор Ульф Мейснер (Ulf-G. Meißner) из Боннского университета.

«Без этой формы углерода возникновение жизни на Земле, судя по всему, было бы невозможным»,— говорит он.

На данный момент авторы работы планируют в мельчайших подробностях изучить эту форму углерода и надеются, что данное открытие поможет им внимательно изучить всю «цепочку образования» жизненно важных элементов.

Рис. 3. Фред Хойл также является автором теории Cтабильной Вселенной, согласно которой которой расширение Вселенной объясняется непрерывным созданием вещества. Впоследствии данная теория была заменена теорией Большого взрыва (источник: Science Photo).

Изучив высокоэнергетическую форму углерода, исследователи также надеются подтвердить теорию слабого антропного принципа, согласно которому «во Вселенной встречаются разные значения мировых констант, но наблюдение некоторых их значений более вероятно, поскольку в регионах, где величины принимают эти значения, выше вероятность возникновения наблюдателя». Иными словами, значения мировых констант, резко отличные от наших, не наблюдаются, потому что там, где они есть, нет наблюдателей.

Для справки: Антропный принцип – один из принципов современной космологии, устанавливающий зависимость существования человека как сложной системы и космического существа от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных – постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Разделяется на слабый и сильный антропный принцип.