Menghitung fisika yang menghubungkan struktur nuklir, formasi elemen, dan kehidupan dan kematian bintang

Ikatan Hidrogen dan Gaya Van Der Walls - Konsep Mudah (Juli 2019).

Anonim

Big Bang memulai pembentukan dan pengorganisasian masalah yang membentuk diri dan dunia kita. Hampir 14 miliar tahun kemudian, fisikawan nuklir di Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dan mitra mereka menggunakan superkomputer paling kuat di Amerika untuk mengkarakterisasi perilaku objek, dari neutron subatomik ke bintang neutron, yang berbeda secara dramatis dalam ukuran belum terhubung erat dengan fisika.

Melalui DOE Office of Science's Scientific Discovery melalui program Advanced Computing (SciDAC), yang secara bersamaan memajukan sains dan superkomputer untuk mempercepat penemuan, ORNL berpartisipasi dalam dua proyek fisika nuklir lima tahun.

Kolaborator pada proyek pertama, Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), akan menghitung properti dan reaksi berbagai inti atom yang penting dalam eksperimen dan lingkungan astrofisika di bumi. Sekitar 30 peneliti di 12 laboratorium dan universitas nasional dijadwalkan untuk berbagi pendanaan sebesar $ 10 juta. Joseph Carlson dari Los Alamos National Laboratory (LANL) mengepalai NUCLEI, dengan Stefan Wild dari Argonne National Laboratory sebagai co-director untuk matematika terapan dan ilmu komputer dan Thomas Papenbrock dari University of Tennessee, Knoxville (UTK) dan ORNL sebagai co-director untuk fisika.

Proyek kedua, Menuju Exascale Astrophysics of Mergers dan Supernovae (TEAMS), mitra 32 peneliti dari 12 laboratorium nasional dan universitas. Dengan dukungan yang direncanakan sebesar $ 7, 25 juta, para pekerja akan mensimulasikan ledakan supernova dan penggabungan bintang neutron yang menciptakan unsur-unsur atom lebih berat daripada besi dan memprediksi tanda-tanda dari bencana ini, seperti gelombang gravitasi. Raph Hix dari ORNL memimpin TEAMS, dengan Bronson Messer dari ORNL sebagai pemimpin komputasi dan Chris Fryer dari LANL sebagai pemimpin ilmu pengetahuan.

"Ada sinergi yang bagus - NUCLEI melakukan fisika nuklir murni dan TIM adalah, dalam arti, melakukan fisika nuklir terapan, " kata Hix, ahli astrofisika nuklir. "Kami membutuhkan fisika nuklir mereka untuk melakukan astrofisika kami."

Mitra NUCLEI akan menghitung struktur, reaksi, interaksi dan peluruhan inti stabil dan radioaktif (elemen yang membusuk ke keadaan yang lebih stabil) untuk perbandingan dengan hasil percobaan di fasilitas DOE seperti Fasilitas untuk Beotope Balok Langka (FRIB), sedang dibangun di Universitas Negeri Michigan. Karena astrofisikawan memerlukan masukan berkualitas tinggi tentang bagaimana inti benar-benar berperilaku, informasi dari NUCLEI dan dari eksperimen akan digunakan dalam simulasi TIM yang menyelidiki bagaimana inti dibuat di bawah kondisi ekstrim bintang yang sekarat.

Untuk kedua proyek SciDAC, ahli ilmu pengetahuan dan komputasi akan mulai dari model state-of-the-art, teknik numerik dan komputer kinerja kelas tinggi kelas kepemimpinan, seperti Titan, superkomputer pekerja keras ORNL, atau Summit, yang akan hadir pada 2018.

Menghitung inti kunci

Bagaimana kekuatan yang kuat mengikat proton dan neutron menjadi inti? Bagaimana nukleus inti atom menangkap netron untuk menciptakan elemen yang lebih berat di bintang? Apa sifat dari neutrino, yang memainkan peran penting dalam peluruhan radioaktif dan ledakan supernova?

Ini adalah beberapa pertanyaan peneliti NUCLEI akan mengeksplorasi menggunakan matematika terapan lanjutan, ilmu komputer dan fisika untuk menggambarkan inti atom. Perhitungannya secara komputasi mahal. "Dengan 100 atau lebih partikel, solusi eksak menjadi sangat mahal, " kata Papenbrock. "Metode baru memungkinkan kinerja yang efisien pada superkomputer tercepat."

Kontribusi penting ORNL bagi komunitas ilmiah NUCLEI adalah metode gabungan-gugus, perluasan sistem gelombang nuklir yang efisien dan sistematis dengan biaya komputasi sederhana. Solusinya memberikan wawasan rinci ke dalam struktur dan peluruhan inti atom dan interaksi nuklir. Lead ORNL untuk kolaborasi NUCLEI, Gaute Hagen, juga memimpin pengembangan kode unggulan NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR menyediakan kompromi antara akurasi tinggi dan biaya komputer yang terjangkau.

Di ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen dan George Fann akan menghitung sifat-sifat inti dan peluruhannya. Di UTK, seorang rekan postdoctoral akan bekerja dengan Papenbrock pada proyek. Mitra NUCLEI di institusi lain akan membawa kode mereka sendiri, metode komputasi, dan keahlian untuk proyek tersebut. "Nukleus atom menunjukkan sifat yang sangat berbeda seperti satu dari inti yang paling ringan dengan nukleon tunggal - proton - hingga yang paling berat, yang terdiri dari sekitar 240 nukleon (proton atau neutron), " Papenbrock menjelaskan. "Dalam kolaborasi ini, kami memiliki metode pelengkap yang baik untuk inti yang berbeda."

Hagen berkata, "Di Oak Ridge kami mengembangkan metode prinsip pertama yang dapat menggambarkan massa menengah dan inti berat yang dimulai dari interaksi mendasar antara nukleon. Ini adalah kemajuan luar biasa di lapangan. Satu dekade yang lalu kami sedang menghitung struktur oksigen-16, oksigen yang kita hirup, yang (memiliki) 16 nukleon. Hari ini kita baru saja menyerahkan kertas pada timah-100, yang memiliki 100 nukleon. "

Peneliti NUCLEI akan menghitung properti isotop kunci, seperti kalsium-60, yang memiliki 20 proton dan 40 neutron, dan karena itu lebih eksotis daripada isotop stabil umum di tulang dan gigi kita, kalsium-40 (20 proton, 20 neutron). "Kalsium-60 belum diukur, " kata Hagen. "Tidak ada yang diketahui. Untuk pergi ke wilayah itu — dan seterusnya — akan menjadi tantangan besar bagi teori. Tetapi akhirnya kita akan sampai di sana dengan alat yang sedang kita kembangkan dan kekuatan komputasi yang akan tersedia bagi kita di SciDAC ini. periode."

Inti terbesar yang para ilmuwan usulkan untuk menghitung dari awal adalah timbal-208. Pengetahuan yang diperoleh tentang apa yang membuat nukleonnya bersama-sama dapat berdampak pada pemahaman elemen superheavy di luar lead 208. Selain itu, perhitungan akan melengkapi eksperimen yang ada dan yang tertunda.

Bintang-bintang dalam diri kita

"Astrofisika adalah aplikasi multi-fisika yang sangat penting, " kata Hix, yang memimpin proyek SciDAC lainnya di mana ORNL berpartisipasi, yang dikenal sebagai TEAMS. "Ada begitu banyak aspek fisika yang terlibat; tidak ada yang bisa menjadi ahli dalam semua itu. Jadi kita harus membangun tim."

Para anggota proyek TIM akan meningkatkan model kematian bintang masif, yang disebut supernova inti-runtuh, yang membubarkan unsur-unsur kimia di seluruh galaksi, serta model dari jam-jam terakhir kehidupan bintang-bintang yang mengatur kondisi awal untuk inti supernova -collapse. Mereka juga akan memperbaiki model-model penggabungan bintang-bintang neutron, yang menciptakan lubang-lubang hitam sementara juga menyebarkan unsur-unsur yang baru terbentuk.

Meningkatkan simulasi TIM akan membutuhkan fisika nuklir mikroskopis yang lebih baik, meningkatkan pemahaman kita tentang keadaan materi nuklir dan interaksinya dengan neutrino. Para ilmuwan TEAMS juga akan mempelajari konsekuensi ledakan yang dapat dideteksi oleh teleskop dan sejarah kimia galaksi kita, menyediakan pengamatan yang dapat dibandingkan dengan simulasi untuk memvalidasi model.

Dalam supernova inti-runtuh, bintang masif (10 kali massa Matahari kita) membangun inti besi yang dikelilingi oleh lapisan elemen yang lebih ringan — misalnya, silikon, oksigen, karbon, helium, hidrogen. Akhirnya inti besi runtuh untuk membentuk bintang neutron, meluncurkan gelombang kejut.

Sejak 1960-an, para ilmuwan telah mencoba untuk mensimulasikan bagaimana gelombang kejut ini menghasilkan supernova, dimulai dengan model satu dimensi yang mengasumsikan bintang itu sferis simetris. Simulasi berdasarkan model-model itu jarang menghasilkan ledakan. Baru-baru ini, dengan pemahaman yang lebih baik tentang fisika dan komputer yang lebih cepat, para peneliti mulai menjalankan model supernova inti-runtuh dua dimensi, dan kemudian tiga-dimensi, dengan peningkatan fisika.

"Perilaku dalam dua atau tiga dimensi sangat berbeda dan Anda mendapatkan pengembangan daerah konvektif besar, " kata Hix. "Itu adalah energi neutrino yang dikirim ke gelombang kejut oleh aliran konvektif yang pada akhirnya menggerakkan ledakan. Hasilnya adalah ledakan asimetris yang menyemburkan gumpalan besar."

Sumber listrik yang mendorong ledakan ini adalah bintang neutron yang baru dibuat, massa berukuran Matahari yang dipadatkan menjadi hanya 30 kilometer, melepaskan energi luar biasa yang terbawa dengan cepat oleh neutrino. Menangkap hanya sebagian kecil dari neutrino melarikan diri reenergizes gelombang kejut, yang mengarah ke supernova.

Bahan yang ditembakkan ke galaksi oleh supernova tersedia untuk membuat bintang generasi berikutnya. Unsur-unsur — oksigen dalam napas Anda, besi dalam darah Anda — adalah pelacak nyata evolusi kimia galaksi kita sepanjang jalan kembali ke Big Bang. "Kisah yang bisa diketahui atom Anda!" Seru Hix. "Miliaran tahun yang lalu dan ribuan tahun cahaya, sebagian dari Anda telah melalui supernova, penggabungan bintang neutron dan peristiwa eksotis lainnya, dan kita dapat membuktikannya karena Anda membawa semua elemen dan isotop yang dibuat di sana. Ada kecenderungan ketika orang melihat ke langit untuk mengatakan, 'Oh, itulah alam semesta.' Tetapi alam semesta ada di sini juga, "katanya, mengetukkan dadanya.

menu
menu