Origine della vita: Il nucleo atomico primordiale

Origine della vita: Usando i supercomputer di ultima generazione e le nuove tecniche matematiche, i fisici stanno lavorando per rivelare come il nucleo atomico dello stato di Hoyle dia origine agli elementi luminosi che consentono la vita, e come guida l’evoluzione delle stelle.

Origine della vita

Origine della vita

Origine della vita

Miliardi di anni fa, all’origine dell’universo, i nuclei di ogni atomo sorsero in uno stato gonfio e schiacciato con poche possibilità di sopravvivenza. Solo una forma si è spostata in una forma stabile in grado di sostenere la vita. Quello stato nucleare primordiale era instabile, chiamato stato di Hoyle, fu scoperto più di mezzo secolo fa. Con l’ascesa dei super-computer moderni e lo sviluppo di nuove tecniche matematiche, si sono cercate di capire esattamente le leggi della fisica. Un gruppo di fisici teorici in Germania e negli Stati Uniti ha applicato le forze della fisica a un insieme di particelle subatomiche simulate al computer per costruire la struttura del nucleo dello stato di Hoyle da zero.

I fisici affermano di conoscere la struttura dello stato di Hoyle che aiuterà a rivelare generi di carbonio, ossigeno, azoto e altri elementi luminosi che compongono le complesse molecole degli esseri viventi. La sintesi di questi elementi consente la genesi della vita, ma guida anche all’evoluzione delle stelle. Il ciclo carbonio-ossigeno-azoto è semplicemente cruciale per la formazione di quasi tutti gli altri elementi, e per capire come vivono le stelle e come si deteriorano e svaniscono.

La ricerca per svelare lo stato di Hoyle iniziò nel 1954 con quello che lo scrittore di astrofisica Marcus Chown ha definito “la predizione più oltraggiosa” mai fatta nella scienza. L’astrofisico teorico Fred Hoyle sosteneva che la sua esistenza significava che uno stato sconosciuto dell’atomo di carbonio con circa 7,65 milioni di elettronvolt di energia extra doveva sorgere all’interno delle stelle morenti, anche se nessuno aveva mai rilevato emissioni spettrali da un tale atomo.

Gli elementi chiave della vita

Proprio come previsto, quasi tutti gli elementi chiave della vita discendono dal carbonio. Quando le stelle di medie dimensioni come il nostro sole sono a corto di idrogeno per fondersi in elio, i loro strati esterni si espandono e si arrossiscono e i loro nuclei si restringono. Durante questa contrazione interna, i nuclei di elio (chiamati anche particelle alfa), ciascuno contenente due protoni e due neutroni, vengono uniti insieme in modo così potente da fondersi, formando un nucleo atomico di quattro protoni e quattro neutroni chiamato berillio-8.

Particelle Alfa

Particelle Alfa

Prima che il berillio si ritrasformi in due particelle alfa, una terza particella a volte colpisce il berillio, fondendosi con esso per formare un nucleo carbon-12(1) eccitato di dimensioni maggiori: lo stato di Hoyle. Oltre ai soliti sei protoni di carbonio e sei neutroni, questo stato racchiude un ulteriore fascio di energia. I nuclei dello stato di Hoyle quasi sempre decadono nel berillio e in una particella alfa. Ma una volta ogni 2,500 volte, questi carboni gonfiati si rilassano nella loro configurazione stabile, allo stato fondamentale, emettendo energia extra come un’esplosione di raggi gamma.

I nuovissimi nuclei di carbonio-12 che vengono creati successivamente popolano la tavola periodica(2). Alcuni rimangono come sono, mentre altri si fondono con un’altra particella alfa per diventare ossigeno. Una frazione dei nuclei dell’ossigeno viene spogliata di un protone, trasformandosi in azoto. Altri si fondono con un altro alfa per diventare neon, e così via. Se la stella termina in un’esplosione cataclismica chiamata supernova, disperde questi nuovi elementi coniati nello spazio, dove alla fine diverranno gli elementi costitutivi dei futuri sistemi solari.

Lo stato di Hoyle

Lo stato di Hoyle è una “risonanza” di carbonio formato da un atomo di berillio e una particella alfa, il che significa che ha quasi esattamente la stessa energia delle loro masse combinate. Il carbonio-12 allo stato fondamentale ha un’energia inferiore, e quindi, non si forma attraverso la fusione di una particella alfa e di una di berillio. Perché tutti questi stati stabili accadano, ci deve essere una risonanza. Hoyle predisse solo l’energia dello stato risonante del carbonio ma non poteva dire nulla delle forze e delle interazioni che gli consentivano di formarsi, né delle sue proprietà fisiche.

Poiché il carbonio contiene sei protoni e sei neutroni, ciascuno dei quali contiene tre quark(3), lo stato di Hoyle equivale a un problema dmolto complesso. Nonostante decenni di lavoro da parte di fisici nucleari, anche con l’informatica moderna un calcolo esatto dello stato rimane fuori portata. Ora, un approccio chiamato teoria del campo efficace chirale, sviluppato dal premio Nobel Steven Weinberg, ha permesso di avvicinarsi molto alla struttura dello stato di Hoyle.

Il trucco sfrutta il fatto che i protoni e i neutroni tendono a mantenere la loro distanza l’uno dall’altro all’interno dei nuclei atomici, in modo da “vedersi” l’un l’altro non come strutture di tre quark ma come particelle singole, anche se leggermente complicate. Dimenticare i quark trasforma un problema di 36 corpi in un problema di 12 corpi, ma con la forte forza nucleare, l’elettromagnetismo e le forze chirali “di ordine superiore” che agiscono tra ogni particella. Anche questo problema resiste a una soluzione esatta. Fissare dove sono tutti i dodici protoni e neutroni è solo una cosa orribilmente complicata.

Teoria del campo chirale

La teoria del campo chirale efficace impiega un trucco matematico a volte usato nel calcolo delle scuole superiori. Nello stesso modo in cui una funzione matematica, come una curva su un grafico, può essere approssimata calcolando i primi termini di una espansione di serie di Taylor(4). Una somma infinita di termini progressivamente più piccoli attorno a un punto sulla curva. I ricercatori hanno approssimato le forze che modellano lo stato di Hoyle considerando solo i primi termini di un’espansione della serie di Taylor di quelle forze.

Quando un super computer applica questo calcolo a una simulazione di sei protoni e sei neutroni distribuiti su un reticolo tridimensionale, le particelle possono organizzarsi in risposta ad esso in infiniti modi. Tuttavia, solo le configurazioni di energia più bassa delle particelle sono comuni in natura. Di questi, i ricercatori hanno scoperto che una delle soluzioni era il nucleo di carbonio dello stato fondamentale. Un altro era lo stato di Hoyle, con i suoi 7,65 MeV di energia extra. Il calcolo, è stato eseguito dal supercomputer tedesco JUGENE(5).

Come un braccio piegato, lo stato di Hoyle assume la forma di un triangolo ottuso con una particella alfa in ciascun vertice. L’energia in eccesso del nucleo consente ai suoi cluster alfa di estendersi più distanti l’uno dall’altro rispetto ai grappoli di carbonio-12 dello stato fondamentale, che si uniscono in un triangolo equilatero stretto. Martin Freer, un fisico nucleare sperimentale presso l’Università di Birmingham, ha affermato che conoscere la struttura del nucleo atomico aiuterà a spiegare le velocità e i meccanismi con cui si trasforma in altri stati, generando molti degli altri elementi nell’universo.

Il calcolo aiuta a spiegare perché lo stato di Hoyle esiste e promette anche di rivelare quanto è perfetto l’universo per la vita. Se lo stato di Hoyle non dovesse esistere, non esisteremmo nemmeno noi, e anche se la sua energia fosse leggermente diversa, la vita avrebbe dovuto trovare un percorso alternativo.

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Note   [ + ]

1.Carbon-12: ( 12 C) è il più abbondante dei due isotopi stabili del carbonio.
2.Tavola periodica: Tavola periodica degli elementi o semplicemente tavola periodica, è lo schema con cui sono ordinati gli elementi chimici sulla base del loro numero atomico Z e del numero di elettroni presenti negli orbitali atomici s, p, d, f.
3.Quark: In fisica delle particelle il quark (AFI: /ˈkwark/) è un fermione elementare che partecipa all’interazione forte. I quark hanno carica elettrica +2/3 o −1/3 (gli antiquark −2/3 o +1/3) e spin 1/2.
4.Serie di Taylor: In analisi matematica, la serie di Taylor di una funzione in un punto è la rappresentazione della funzione come serie di termini calcolati a partire dalle derivate della funzione stessa nel punto. Sulla serie di Taylor delle funzioni trigonometriche si basa l’approssimazione per angoli piccoli.
5.JUGENE: Super-computer sviluppato da IBM per il Centro Ricerche di Jülich. L’elaboratore è il successore del supercomputer JUBL, è basato sull’architettura Blue Gene/P, ed è equipaggiato con il sistema operativo SUSE Linux Enterprise Server 10.