Звідки береться золото в кільцях та уран у реакторах? Відповідь криється в найпотужніших вибухах у Всесвіті. Міжнародна команда вчених створила революційну ІІ-модель RHINE, яка вперше з високою точністю реконструює процеси народження важких хімічних елементів.

Як повідомляє РБК-Україна, посилаючись на дослідження в журналі Physical Review, нова розробка дозволяє зазирнути в серце зіркових катастроф, не перевантажуючи суперкомп'ютери.

Магія r-процесу

Створення елементів важчих за залізо неможливе в звичайних зорях. Для цього потрібні екстремальні умови, що виникають під час вибухів наднових зір або зіткнень нейтронних зір. У цей момент запускається так званий r-процес — швидке захоплення нейтронів.

Механізм виглядає як ланцюгова реакція: атомні ядра миттєво поглинають вільні нейтрони, які згодом перетворюються на протони. Саме так народжуються важкі елементи, включаючи золото, платину та уран.

Однак моделювання цього хаосу завжди було кошмаром для фізиків. Щоб розрахувати процес, потрібно одночасно враховувати поведінку тисяч ізотопів. До цього часу вчені були змушені сильно спрощувати теоретичні моделі, оскільки обчислювальних потужностей для повного розрахунку просто не вистачало.

Як працює модель RHINE

Розроблена модель RHINE пропонує елегантне рішення цієї проблеми, поєднуючи ядерну фізику та машинне навчання. Алгоритм працює за принципом «навчання на досвіді»:

  • Попереднє навчання. Нейросіть тренується на величезній базі референтних розрахунків, що містять повний набір можливих ядерних реакцій.
  • Гідродинамічна інтеграція. На відміну від старих методів, модель прогнозує швидкість виділення ядерної енергії для будь-якого стану безпосередньо під час запуску симуляцій.
  • Автономність. ШІ дозволяє розділити складні розрахунки нуклеосинтезу від моделювання руху речовини, що раніше перевантажувало системи.

Завдяки такому підходу алгоритм з високою точністю відтворює процеси виділення тепла. Це критично важливо, оскільки тепловиділення впливає на швидкість розльоту космічної речовини та характеристики електромагнітних сигналів, які фіксують телескопи — так званих кілонових.

Перевірка реальністю

Ефективність нової ІІ-схеми вчені підтвердили, порівнявши результати моделювання з реальними астрономічними спостереженнями. В якості еталону було обрано історичну подію 17 серпня 2017 року.

У цей день у лінзоподібній галактиці NGC 4993 за допомогою гравітаційних хвиль вперше зафіксували зіткнення двох нейтронних зір. Космічний телескоп Hubble задокументував поступове згасання спалаху кілонової, викликаного цією подією. Дані, отримані від RHINE, ідеально збіглися з реальністю.

Використання машинного навчання дозволило заощадити колосальну кількість обчислювального часу без втрати точності. Створювачі проекту вже розмістили вихідний код програми у відкритому доступі.

У майбутньому модель RHINE стане зв'язуючою ланкою між лабораторними експериментами на новому прискорювальному комплексі FAIR та реальними спостереженнями за зірковими вибухами, допомагаючи людству остаточно розгадати походження матерії.