O Big Bang deu início à formação e organização da matéria que constitui a nós mesmos e nosso mundo. Quase 14 bilhões de anos depois, físicos nucleares do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia e seus parceiros estão usando os supercomputadores mais poderosos da América para caracterizar o comportamento dos objetos, de nêutrons subatômicos a estrelas de nêutrons, que diferem dramaticamente em tamanho, mas estão intimamente ligados pela física.

Por meio do programa DOE Office of Science's Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), que simultaneamente avança a ciência e a supercomputação para acelerar a descoberta, ORNL está participando de dois projetos de física nuclear computacional de cinco anos.

Colaboradores no primeiro projeto, a Iniciativa de Baixa Energia Nuclear Computacional (NUCLEI), irá calcular propriedades e reações de diversos núcleos atômicos que são importantes em experimentos terrestres e ambientes astrofísicos. Aproximadamente 30 pesquisadores em 12 laboratórios nacionais e universidades estão programados para compartilhar o financiamento de US $ 10 milhões. Joseph Carlson do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) dirige o NUCLEI, com Stefan Wild do Argonne National Laboratory como codiretor de matemática aplicada e ciência da computação e Thomas Papenbrock da University of Tennessee, Knoxville (UTK) e ORNL como codiretor de física.

O segundo projeto, Rumo à Astrofísica Exascale de Fusões e Supernovas (TEAMS), parceiros 32 pesquisadores de 12 laboratórios nacionais e universidades. Com suporte planejado de $ 7,25 milhões, trabalhadores irão simular explosões de supernovas e fusões de estrelas de nêutrons que criam elementos atômicos mais pesados ​​que o ferro e preverão as assinaturas desses cataclismos, como ondas gravitacionais. Raph Hix de ORNL lidera EQUIPES, com Bronson Messer do ORNL como líder computacional e Chris Fryer do LANL como líder científico.

"Há uma boa sinergia - NUCLEI está fazendo física nuclear pura e TEAMS está, num sentido, fazendo física nuclear aplicada, "disse Hix, um astrofísico nuclear. "Precisamos de sua física nuclear para fazer nossa astrofísica."

Os parceiros da NUCLEI calcularão a estrutura, reações, interações e decaimentos de núcleos estáveis ​​e radioativos (elementos que decaem para estados mais estáveis) para comparação com resultados de experimentos em instalações DOE, como a Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), em construção na Michigan State University. Como os astrofísicos precisam de informações de alta qualidade sobre como os núcleos realmente se comportam, informações do NUCLEI e de experimentos serão usadas em simulações de TEAMS que exploram como os núcleos são criados sob as condições extremas de estrelas moribundas.

Para ambos os projetos SciDAC, especialistas em ciência e computação começarão com modelos de última geração, técnicas numéricas e computadores de alto desempenho de classe de liderança, como Titan, O supercomputador burro de carga atual do ORNL, ou Summit, chegando em 2018.

Calculando núcleos-chave

Como a força forte liga os prótons e nêutrons aos núcleos? Como os núcleos atômicos leves capturam nêutrons para criar elementos mais pesados ​​nas estrelas? Qual é a natureza do neutrino, que desempenha papéis cruciais na decomposição radioativa e explosões de supernovas?

Estas são algumas questões que os pesquisadores do NUCLEI irão explorar usando matemática aplicada avançada, ciência da computação e física para descrever núcleos atômicos. Os cálculos são caros do ponto de vista computacional. "Com 100 ou mais partículas, soluções exatas tornaram-se exponencialmente caras, "Papenbrock disse." Novos métodos permitem desempenho eficiente nos supercomputadores mais rápidos. "

A contribuição crítica do ORNL para a comunidade científica da NUCLEI é o método de agrupamento acoplado, um eficiente, expansão sistemática da função de onda nuclear com um custo computacional modesto. Sua solução fornece uma visão detalhada da estrutura e decadência dos núcleos atômicos e das interações nucleares. O líder do ORNL para a colaboração NUCLEI, Gaute Hagen, também lidera o desenvolvimento de um código principal NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR oferece um compromisso entre alta precisão e custo acessível de computador.

No ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen e George Fann calcularão as propriedades dos núcleos e seus decaimentos. No UTK, um pós-doutorado trabalhará com Papenbrock no projeto. Os parceiros da NUCLEI em outras instituições trarão seus próprios códigos, métodos computacionais, e especialização para o projeto. "Os núcleos atômicos exibem propriedades muito diferentes à medida que se vai do núcleo mais leve com um único nucleon - um próton - para o mais pesado, consistindo em cerca de 240 nucleons [prótons ou nêutrons], "Papenbrock explicou." Nesta colaboração, temos métodos complementares que são bons para diferentes núcleos. "

Hagen disse, "Em Oak Ridge, desenvolvemos métodos de primeiros princípios que podem descrever núcleos de massa média e pesados ​​a partir das interações subjacentes entre núcleons. Este é um progresso notável no campo. Uma década atrás, estávamos computando a estrutura do oxigênio-16, o oxigênio que respiramos, que [tem] 16 núcleons. Hoje acabamos de enviar um artigo sobre estanho-100, que tem 100 núcleos. "

Os pesquisadores da NUCLEI calcularão as propriedades dos isótopos-chave, como cálcio-60, que tem 20 prótons e 40 nêutrons, e é, portanto, mais exótico do que o isótopo estável comum em nossos ossos e dentes, cálcio-40 (20 prótons, 20 nêutrons). "O cálcio-60 ainda não foi medido, - disse Hagen. - Nada se sabe. Ir para aquela região - e além - seria um grande desafio para a teoria. Mas, eventualmente, chegaremos lá com as ferramentas que estamos desenvolvendo e o poder de computação que estará disponível para nós neste período SciDAC. "

O maior núcleo que os cientistas propõem calcular do zero é o chumbo-208. O conhecimento obtido sobre o que mantém seus núcleos unidos pode impactar a compreensão dos elementos superpesados ​​além do chumbo-208. Além disso, os cálculos irão complementar os experimentos atuais e pendentes.

As estrelas em nós mesmos

"A astrofísica é uma aplicação multifísica quintessencial, "disse Hix, que lidera o outro projeto SciDAC do qual ORNL participa, conhecido como TEAMS. "Há tantas facetas da física envolvidas; ninguém pode ser especialista em tudo isso. Portanto, devemos formar equipes."

Os membros do projeto TEAMS irão melhorar os modelos da morte de estrelas massivas, chamadas supernovas de colapso do núcleo, que dispersam elementos químicos pelas galáxias, bem como modelos das horas finais de vida das estrelas que estabelecem as condições iniciais para supernovas de colapso do núcleo. Eles também irão melhorar os modelos de fusão de estrelas de nêutrons, que criam buracos negros enquanto também dispersam elementos recém-formados.

Melhorar as simulações TEAMS exigirá uma melhor física nuclear microscópica, melhorando nossa compreensão dos estados da matéria nuclear e suas interações com os neutrinos. Os cientistas do TEAMS também vão estudar as consequências das explosões detectáveis ​​por telescópios e a história química da nossa galáxia, fornecendo observações que podem ser comparadas com simulações para validar modelos.

Em supernovas de colapso do núcleo, estrelas massivas (10 vezes a massa do nosso Sol) constroem um núcleo de ferro rodeado por camadas de elementos mais leves, por exemplo, silício, oxigênio, carbono, hélio, hidrogênio. Eventualmente, o núcleo de ferro colapsa para formar uma estrela de nêutrons, lançando uma onda de choque.

Desde 1960, cientistas tentaram simular como essa onda de choque produz uma supernova, começando com modelos unidimensionais que presumiam que a estrela era esfericamente simétrica. Simulações baseadas nesses modelos raramente resultavam em explosões. Mais recentemente, com melhor compreensão da física e computadores mais rápidos, pesquisadores começaram a trabalhar em duas dimensões, e depois tridimensional, modelos de supernova de colapso do núcleo com física aprimorada.

“O comportamento em duas ou três dimensões é completamente diferente e você obtém o desenvolvimento de grandes regiões convectivas, "Hix disse." É a energia do neutrino entregue à onda de choque por fluxos convectivos que no final das contas alimenta a explosão. O resultado é uma explosão assimétrica que lança grandes plumas. "

A fonte de energia que impulsiona esta explosão é a estrela de nêutrons recém-formada, sua massa do tamanho do Sol comprimida em apenas 30 quilômetros, liberando uma energia tremenda que é carregada rapidamente pelos neutrinos. Capturar apenas uma pequena fração dos neutrinos que escapam reenergiza a onda de choque, levando à supernova.

O material que é disparado para a galáxia pela supernova está disponível para formar a próxima geração de estrelas. Elementos - o oxigênio em sua respiração, o ferro em seu sangue - são marcadores tangíveis da evolução química de nossa galáxia desde o Big Bang. "A história que seus átomos poderiam contar!" Hix exclamou. "Há bilhões de anos e milhares de anos-luz de distância, partes de vocês passaram por supernovas, fusões de estrelas de nêutrons e outros eventos exóticos, e podemos provar isso porque você carrega todos os elementos e isótopos que foram feitos lá. Quando as pessoas olham para o céu, há uma tendência de dizer:'Oh, esse é o universo. ' Mas o universo também está aqui, " ele disse, batendo em seu peito.