Hace más de 1800 años, Los astrónomos chinos estaban desconcertados por la repentina aparición de una brillante "estrella invitada" en el cielo, sin saber que estaban presenciando la fragua cósmica de una supernova, un evento repetido innumerables veces esparcido por todo el universo.

Hoy dia, con más de un milenio de observaciones y un conjunto de herramientas significativamente más poderoso, Los investigadores terrestres utilizan algunas de las computadoras más avanzadas del mundo para reconstruir los mecanismos internos de estos fenómenos celestes y el papel que desempeñan en la creación de los elementos.

"El problema fundamental de la astrofísica, en comparación con otros campos de la física, ¿No podemos diseñar nuestros experimentos? "dijo Raph Hix, astrofísico computacional en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía. "La madre naturaleza lleva a cabo periódicamente un experimento en nuestra opinión, y corremos para recopilar toda la información que podamos ".

Hix y otros astrofísicos de ORNL construyen modelos utilizando supercomputadoras de última generación para simular el colapso y explosión de estrellas masivas de más de diez veces la masa de nuestro sol y comprender cómo las supernovas crean nuevos elementos químicos a través de un proceso conocido como nucleosíntesis.

"El trabajo de modelar, especialmente en astrofísica, es construir un modelo que coincida con las observaciones, luego podemos hacer una inmersión profunda en el interior y observar los detalles del evento que son imposibles de ver porque la explosión está sucediendo a un megaparsec de distancia y estamos atrapados en un lugar, "Dijo Hix.

Para ayudar a superar la percepción limitada impuesta por las grandes distancias, Los astrofísicos se basan en una multitud de datos experimentales y de observación para compararlos con estos modelos multidimensionales de la física de una supernova. Las observaciones incorporan fotometría y espectros recopilados de ópticas, ultravioleta, Telescopios de rayos X y rayos gamma, e incluso incluir datos sobre firmas isotópicas obtenidas del estudio de trozos de polvo de estrellas extraídos de meteoritos, conocidos como granos presolares, creado en explosiones antes de la formación de nuestro sistema solar. Al comparar modelos con esta miríada de observaciones, Hix y sus colegas pueden explorar el proceso de nucleosíntesis y cómo las supernovas ayudaron a crear los elementos pesados ​​e isótopos que nos rodean.

"Al final del día, Siempre vuelvo a la formación de los elementos. Entender cómo sucede eso es irracionalmente fascinante para mí, "Dijo Hix.

Esta fascinación comenzó durante su tiempo en la Universidad de Maryland, donde se especializó en física, astronomía y matemáticas. Antes de la conferencia un día, Hix comenzó a leer sobre el origen de los elementos y quedó fascinado con la forma en que se formaron y se abrieron camino a través del cosmos.

"El oxígeno que estás respirando en este momento nos llegó porque una estrella de 15 o 20 veces la masa del sol se rompió en pedazos, ", dijo." Es una conexión muy personal con el universo ".

Hix ha estado enganchado desde entonces, y su interés en la nucleosíntesis continuó a través de su trabajo de posgrado en Harvard y su tiempo como postdoctorado en Texas antes de unirse a ORNL en 1997. Hoy, es el líder del Grupo de Física Teórica del laboratorio, que abarca tanto la astrofísica como la teoría de la estructura nuclear.

"Si quieres entender cómo las supernovas crean elementos, Será mejor que tengas los mejores modelos de supernovas que puedas conseguir, ", dijo." Vine a ORNL para aprender más sobre las supernovas y usar lo que sé sobre nucleosíntesis y radionúcleos juntos ".

ORNL se destacó porque no se trataba solo de teoría y algunos de los mejores activos computacionales del mundo, Hix dijo:pero también había experimentadores en la instalación de frijoles de iones radiactivos de Hollifield interesados ​​en la nucleosíntesis que estaban abiertos a la colaboración.

"Fue una buena sinergia tener la teoría y los experimentales juntos y estar en un lugar que valoraba genuinamente este tipo de astrofísica, ", dijo." El ecosistema de matemáticos aplicados, las ciencias computacionales y todos los diferentes tipos de experiencia a los que puede acceder caminando por el pasillo es algo realmente positivo para el tipo de trabajo que estamos haciendo aquí ".

Se necesita un ecosistema de ese tamaño para modelar algo tan masivo e infinitamente complejo como una explosión de supernova. Existe una gran cantidad de microfísica que abarca todos los aspectos de los modelos, Hix dijo:datos de física atómica y velocidades de reacción nuclear que deben medirse en laboratorios, datos que son esenciales para calcular los modelos e interpretar los espectros recogidos por los telescopios.

"Las supernovas son fundamentalmente un circo de multifísica. Es demasiado para que una sola persona lo tenga todo en la cabeza, ", dijo." Se necesita una aldea para hacer un modelo de supernovas ".

Cuando Hix llegó por primera vez a ORNL, los modelos existentes solo simulaban la formación de la estrella de neutrones en el corazón de una supernova, pero no logró producir explosiones de supernovas exitosas. Incluso hasta hace unos 10 años, él dijo, los mejores modelos de supernovas del mundo seguían siendo solo cortes bidimensionales.

"Imagine una rodaja de naranja y calcule solo la cuña, luego suponga que todas las demás partes de la naranja son como esa cuña, " él dijo.

Durante las últimas dos décadas, Los astrofísicos computacionales han trabajado para crear modelos multidimensionales más sofisticados que coincidirían con las observaciones y les permitirían explorar el proceso de nucleosíntesis. Hoy dia, Las computadoras modernas pueden realizar simulaciones tridimensionales completas con la misma cantidad de física en una escala cada vez mayor.

"Las diferencias son significativas, como puedes imaginar, porque terminas con una estrella completamente rota, y replicar una parte de ella en todos los sentidos no tiene todos los grados de libertad, "Dijo Hix.

Con computadoras más grandes y rápidas, Los astrofísicos podían permitirse el lujo de introducir una física más completa y mejorar la dimensionalidad y resolución del modelo. Tradicionalmente, los modelos solo simulan el primer medio segundo de la explosión, mientras que las versiones más nuevas pueden funcionar durante mucho más tiempo e integrar una mejor física, como el transporte de neutrinos mejorado y la hidrodinámica tridimensional.

"Esas son solo las piezas de física que ya sabemos que necesitamos, mucho menos los otros que aún no nos hemos encontrado, "Dijo Hix.

Así como se necesita una aldea para construir un modelo, se necesita una comunidad internacional para mejorarlos. La astrofísica es un campo global, Hix dijo:con modeladores que trabajan con otros teóricos, experimentalistas, matemáticos, astrónomos e informáticos para obtener nuevos datos y resolver los problemas aparentemente insolubles de los demás.

"Tienes la sensación de que estás contribuyendo al conocimiento humano en el sentido más amplio posible, ", dijo." Por mucho que la investigación se trate de descubrir cosas que nadie sabe, la mitad del proceso se trata de contárselo al mundo porque si tú lo sabes y nadie más lo sabe, aún no has terminado ".

Hix hace su parte para hacer crecer la comunidad de investigación a través de su trabajo con estudiantes e investigadores de carrera temprana como miembro conjunto de la facultad de la Universidad de Tennessee. Le gusta enseñar él dijo, debido a la curiosidad y el entusiasmo de los estudiantes nuevos en el campo y al ver a esos estudiantes convertirse en investigadores sofisticados capaces de enseñarle algo nuevo. Son esos momentos de tutoría:liderar grupos de pasantes en el laboratorio, ayudar a los estudiantes de posgrado con su disertación, lo que a menudo le da a Hix la mayor sensación de logro.

"Cada estudiante que envío al mundo significa, en algún sentido, Estoy haciendo más ciencia ", dijo." Está haciendo retroceder la oscuridad de la ignorancia, de no entender nuestro problema particular u otros problemas que estos estudiantes eligen atacar ".