Il y a plus de 1800 ans, Les astronomes chinois perplexes devant l'apparition soudaine d'une "étoile invitée" brillante dans le ciel, ignorant qu'ils assistaient à la forge cosmique d'une supernova, un événement répété d'innombrables fois dispersés à travers l'univers.

Aujourd'hui, avec plus d'un millénaire d'observations et une boîte à outils nettement plus puissante, Les chercheurs terrestres utilisent certains des ordinateurs les plus avancés au monde pour reconstituer les mécanismes internes de ces phénomènes célestes et le rôle qu'ils jouent dans la création des éléments.

"Le problème fondamental de l'astrophysique, par rapport à d'autres domaines de la physique, est-ce que nous n'arrivons pas à concevoir nos expériences, " dit Raph Hix, un astrophysicien informatique au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. « Mère Nature mène périodiquement une expérience à notre avis, et nous nous précipitons pour collecter toutes les informations que nous pouvons."

Hix et d'autres astrophysiciens de l'ORNL construisent des modèles à l'aide de superordinateurs de pointe pour simuler l'effondrement et l'explosion d'étoiles massives plus de dix fois la masse de notre soleil et comprendre comment les supernovae créent de nouveaux éléments chimiques grâce à un processus connu sous le nom de nucléosynthèse.

"Le métier de mannequin, surtout en astrophysique, est de construire un modèle qui correspond aux observations, puis nous plongeons profondément à l'intérieur et regardons les détails de l'événement qui sont impossibles à voir car l'explosion se produit à un mégaparsec et nous sommes coincés à un endroit, " dit Hix.

Pour aider à surmonter la perception limitée imposée par les grandes distances, les astrophysiciens s'appuient sur une multitude de données d'observation et expérimentales pour se comparer à ces modèles multidimensionnels de la physique d'une supernova. Les observations intègrent la photométrie et les spectres collectés à partir d'optiques, ultra-violet, Télescopes à rayons X et gamma, et même inclure des données sur les signatures isotopiques obtenues à partir de l'étude de morceaux de poussière d'étoile extraits de météorites, connu sous le nom de grains présolaires, créé dans les explosions avant la formation de notre système solaire. En comparant les modèles à cette myriade d'observations, Hix et ses collègues sont en mesure d'explorer le processus de nucléosynthèse et comment les supernovae ont aidé à créer les éléments lourds et les isotopes qui nous entourent.

"À la fin de la journée, Je reviens toujours à la formation des éléments. Comprendre comment cela se passe est irrationnellement fascinant pour moi, " dit Hix.

Cette fascination a commencé pendant son séjour à l'Université du Maryland, où il s'est spécialisé en physique, l'astronomie et les mathématiques. Avant la conférence un jour, Hix a commencé à lire sur l'origine des éléments et est devenu fasciné par la façon dont ils se sont formés et se sont frayés un chemin à travers le cosmos.

"L'oxygène que vous respirez en ce moment nous est parvenu parce qu'une étoile 15 ou 20 fois la masse du soleil s'est explosée en morceaux, " a-t-il dit. " C'est un lien très personnel avec l'univers. "

Hix est accro depuis, et son intérêt pour la nucléosynthèse s'est poursuivi tout au long de ses études supérieures à Harvard et de son séjour postdoctoral au Texas avant de rejoindre ORNL en 1997. Aujourd'hui, il est le chef du groupe de physique théorique du laboratoire, qui englobe à la fois l'astrophysique et la théorie de la structure nucléaire.

"Si vous voulez comprendre comment les supernovae créent des éléments, vous feriez mieux d'avoir les meilleurs modèles de supernova que vous puissiez obtenir, ", a-t-il déclaré. "Je suis venu à l'ORNL pour en savoir plus sur les supernovae et utiliser ensemble ce que je sais sur la nucléosynthèse et les radionoyaux."

ORNL s'est démarqué parce qu'il ne s'agissait pas seulement de théorie et de certains des meilleurs actifs de calcul au monde, Hix a dit, mais aussi des expérimentateurs de la Hollifield Radioactive Ion Bean Facility intéressés par la nucléosynthèse qui étaient ouverts à la collaboration.

"C'était une belle synergie d'avoir la théorie et les expérimentateurs ensemble et d'être dans un endroit qui valorisait vraiment ce genre d'astrophysique, " dit-il. " L'écosystème des mathématiciens appliqués, les sciences informatiques et tous les différents types d'expertise auxquels vous pouvez accéder en marchant dans le couloir est vraiment positif pour le genre de travail que nous faisons ici. »

Un écosystème de cette taille est nécessaire pour modéliser quelque chose d'aussi massif et infiniment complexe qu'une explosion de supernova. Il y a une richesse de microphysique qui entre dans chaque aspect des modèles, Hix a dit, les données de physique atomique et les taux de réaction nucléaire qui doivent être mesurés en laboratoire, des données indispensables au calcul des modèles et à l'interprétation des spectres collectés par les télescopes.

"Les supernovae sont fondamentalement un cirque multi-physique. C'est trop pour une seule personne de garder tout cela dans sa tête, " a-t-il dit. " Il faut un village pour faire un modèle de supernovae. "

Lorsque Hix est arrivé à l'ORNL, les modèles existants ne simulaient que la formation de l'étoile à neutrons au cœur d'une supernova, mais n'a pas réussi à produire des explosions de supernova réussies. Même jusqu'à il y a environ 10 ans, il a dit, les meilleurs modèles de supernovae au monde n'étaient encore que des tranches bidimensionnelles.

"Imaginez un coin d'une orange et calculez juste le coin, puis supposez que chaque autre partie de l'orange est comme ce coin, " il a dit.

Au cours des deux dernières décennies, les astrophysiciens computationnels ont travaillé pour créer des modèles multidimensionnels plus sophistiqués qui correspondraient aux observations et leur permettraient d'explorer le processus de nucléosynthèse. Aujourd'hui, les ordinateurs modernes peuvent faire des simulations tridimensionnelles complètes avec la même quantité de physique à une échelle plus grande et plus longue.

« Les différences sont importantes, comme vous pouvez l'imaginer, parce que vous vous retrouvez avec une étoile complètement perturbée, et en reproduire un coin tout autour n'a pas tous les degrés de liberté, " dit Hix.

Avec des ordinateurs plus gros et plus rapides, les astrophysiciens pourraient se permettre de mettre en place une physique plus complète et d'améliorer la dimensionnalité et la résolution du modèle. Traditionnellement, les modèles ne simulent que la première demi-seconde de l'explosion, tandis que les versions plus récentes peuvent fonctionner beaucoup plus longtemps et intégrer une meilleure physique telle qu'un transport amélioré des neutrinos et l'hydrodynamique tridimensionnelle.

"Ce ne sont que les éléments de physique dont nous savons déjà que nous avons besoin, encore moins les autres que nous n'avons pas encore rencontrés, " dit Hix.

Tout comme il faut un village pour construire un modèle, il faut une communauté internationale pour les rendre meilleurs. L'astrophysique est un domaine mondial, Hix a dit, avec des modélisateurs travaillant avec d'autres théoriciens, expérimentateurs, mathématiciens, astronomes et informaticiens pour obtenir de nouvelles données et résoudre mutuellement leurs problèmes apparemment insolubles.

"On a le sentiment de contribuer à la connaissance humaine dans le sens le plus large possible, " a-t-il dit. " Autant la recherche consiste à découvrir des choses que personne ne sait, la moitié du processus consiste à le dire au monde parce que si vous le savez et que personne d'autre ne le sait, tu n'as pas encore fini."

Hix fait sa part pour développer la communauté de recherche grâce à son travail avec des étudiants et des chercheurs en début de carrière en tant que membre conjoint du corps professoral de l'Université du Tennessee. Il aime enseigner, il a dit, en raison de la curiosité et de l'enthousiasme des étudiants nouveaux dans le domaine et de voir ces étudiants devenir des chercheurs sophistiqués capables de lui enseigner quelque chose de nouveau. Ce sont ces moments de mentorat :diriger des groupes de stagiaires au laboratoire, aider les étudiants diplômés dans leur thèse, ce qui donne souvent à Hix le plus grand sentiment d'accomplissement.

"Chaque étudiant que j'envoie dans le monde signifie, en quelques sortes, Je fais plus de science, " dit-il. " C'est repousser les ténèbres de l'ignorance, de ne pas comprendre notre problème particulier ou d'autres problèmes que ces étudiants choisissent d'attaquer."