Światło słoneczne powstaje w wyniku fuzji jądrowej, która przede wszystkim przekształca wodór w hel. Jednak gwiazdy mogą podlegać dalszym procesom, tworząc znacznie cięższe pierwiastki. Źródło zdjęcia: NASA / SDO.

60 lat Starstuff

Jak ludzkość odkryła, skąd pochodzą nasze żywioły.

Artykuł napisał fizyk Paul Halpern z University of the Sciences w Pensylwanii. Paul jest autorem nowej książki The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman i John Wheeler zrewolucjonizowali czas i rzeczywistość.

„Nie byłoby cię tutaj, gdyby gwiazdy nie wybuchły, ponieważ pierwiastki - węgiel, azot, tlen, żelazo, wszystkie rzeczy, które mają znaczenie dla ewolucji i dla życia - nie powstały na początku czasu. Zostały stworzone w nuklearnych piecach gwiazd, a jedynym sposobem, aby dostały się do twojego ciała, jest to, że gwiazdy te były na tyle miłe, by eksplodować… ”-Lawrence Krauss

W nauce nie musisz wszystko robić poprawnie, aby najbardziej niesamowite rzeczy były prawidłowe. Czasami dobre pomysły wyłaniają się z nieudanego paradygmatu. Doskonałym przykładem obu jest papier przełomowej gwiezdnej nukleosyntezy (tworzenie złożonych jąder z prostszych), opublikowany w 1957 r., Znany po prostu jako B2FH, po inicjałach czterech autorów. Po raz pierwszy zaoferował udany model tworzenia elementów. Został zaprojektowany, aby uniknąć potrzeby Wielkiego Wybuchu i wspierać alternatywne wyjaśnienie zwane teorią Stałego Stanu. Dzisiaj, podczas gdy teoria stanu ustalonego jest reliktem przeszłości, nukleosynteza gwiazdy uzupełnia teorię Wielkiego Wybuchu w udanym, kompleksowym wyjaśnieniu, w jaki sposób wszystkie elementy we wszechświecie zostały zbudowane z cząstek elementarnych.

Dziwnym faktem w historii, że po raz pierwszy astronom użył terminu „Wielki Wybuch”, aby opisać wczesne stadia Wszechświata, miał na myśli drwiąco. Badacz z Cambridge Fred Hoyle („H” w kluczowym artykule), który ukształtował to wyrażenie w wywiadzie radiowym BBC z 1948 r., Pomyślał, że idea całej materii we wszechświecie pojawia się naraz, jak nagły wybuch kolosalnej kosmicznej piñaty, być wyraźnie niedorzecznym.

Fred Hoyle regularnie występował w programach radiowych BBC w latach 40. i 50. i był jedną z najbardziej wpływowych postaci w dziedzinie nukleosyntezy gwiazd. Źródło zdjęcia: British Broadcasting Company.

Chociaż wierzył w rozszerzający się kosmos, myślał, że będzie on trwał wiecznie w stałym stanie niemal identycznym, z powolną strużką świeżej materii wypełniającej luki - podobnie jak krawiec dodający nowe guziki do kombinezonu zmienionego dla rosnącego dziecka.

W Wielkim Wybuchu rozszerzający się Wszechświat powoduje rozrzedzanie materii w czasie, podczas gdy w teorii stanu ustalonego ciągłe tworzenie materii zapewnia, że ​​gęstość pozostaje stała w czasie. Źródło zdjęcia: E. Siegel.

Jednym z głównych problemów ze schematem stanu ustalonego przez Hoyle'a, opracowanym wspólnie z Thomasem Goldem i Hermanem Bondim, było wyjaśnienie, w jaki sposób zimne, elementarne cząstki stopniowo przenikające w przestrzeń kosmiczną mogą przekształcić się w wyższe elementy. W tej dziedzinie teoria Wielkiego Wybuchu początkowo twierdziła, że ​​zna wszystkie odpowiedzi. George Gamow, wraz ze swoim uczniem Ralphem Alpherem, rzekomo tłumaczył całość tworzenia pierwiastków poprzez nukleosyntezę Wielkiego Wybuchu. Twierdzili, że ognisty kocioł Wielkiego Wybuchu wykuł wszystkie naturalne pierwiastki chemiczne, od wodoru po uran, z prostszych bloków budujących proton i neutron. Opublikowali swoją pracę w kluczowym artykule „Pochodzenie pierwiastków chemicznych”, który ukazał się w kwietniu 1948 r.

George Gamow, stojący (z fajką) po prawej, w Bragg Laboratory w 1930/1931. Źródło zdjęcia: Serge Lachinov.

Gamow miał wspaniałe poczucie humoru i uwielbiał żartować. Zauważywszy, że nazwisko i jego imię Alpher przypominały pierwszą i trzecią literę greckiego alfabetu, alfa i gamma, kiedy przesłał artykuł, postanowił dodać nazwisko drugiego autora, fizyka Hansa Bethe, który brzmiał jak beta. Bethe nie miała prawie nic wspólnego z papierem. Był jednak ekspertem w dziedzinie nukleosyntezy, więc pomysł nie był tak szalony, jak się wydawało. Dlatego ten przełomowy artykuł jest powszechnie znany jako papier alfa-beta-gamma. (Kiedy do zespołu dołączył inny doktorant Robert Herman, Gamow żartobliwie zasugerował zmianę imienia na „Delter”, żeby się dopasować.)

Słynny artykuł Alphera-Bethe-Gamowa z 1948 r., W którym wyszczególniono niektóre z drobniejszych aspektów nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu. Elementy lekkie zostały poprawnie przewidziane; ciężkie pierwiastki nie były. Źródło zdjęcia: Physical Review (1948).

Dumny ze swojej sprytnej gry słownej, a także z nowatorskiego pomysłu, Gamow wysłał kopię artykułu do swojego przyjaciela szwedzkiego fizyka Oskara Kleina, informując go o jego znaczeniu. „Wygląda na to, że ten„ alfabetyczny ”artykuł może reprezentować od alfa do omegi produkcji elementu”, napisał Gamow. "Jak ci się podoba?" Klein odpowiedział wtedy:

„Dziękuję bardzo za przesłanie mi twojego uroczego papieru alfabetycznego. Pozwolicie mi jednak mieć wątpliwości co do tego, czy reprezentuje on „alfa od omegi produkcji elementu”. Jeśli chodzi o gamma, zgadzam się oczywiście całkowicie z tobą i że ten jasny początek rzeczywiście wygląda najbardziej obiecująco, ale jeśli chodzi o dalszy rozwój, widzę trudności ”.

Rzeczywiście, odpowiedź Kleina była trafna. Papier alfa-beta-gamma mógł dosłownie wyjaśnić tylko trzy pierwsze pierwiastki: wodór, hel i (w ograniczonym zakresie) lit. Można je budować krok po kroku, podobnie jak szczeble drabiny, dodając proton, neutron lub deuteron (kombinacja proton-neutron), aby wznieść się do następnego izotopu. Oprócz produkcji litu istniał fatalny problem: nie było stabilnych izotopów masy atomowej (suma protonów plus neutrony) pięć lub osiem!

  • Dodanie protonu lub neutronu do helu-4 w celu wytworzenia helu-5 lub litu-5 spowoduje rozpad jednego z nich w czasie krótszym niż 10–21 sekund.
  • Dodanie dwóch jąder helu-4 razem w celu wytworzenia berylu-8 powoduje rozpad w niespełna 10–16 sekund.

Bez dobrego przejścia przez masę piątą lub ósmą wydawało się, że nie ma dobrego sposobu na dalsze postępy. Nie było na przykład możliwości, aby węgiel mógł się zebrać, szczególnie w ograniczonym czasie, gdy wszechświat był w najgorętszym położeniu. Kiedy pomyślałeś o jeszcze wyższych, cięższych elementach, problem stał się jeszcze trudniejszy. W drabinie nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu brakowało zatem kluczowych szczebli, które skazały ją na pełny opis całego układu okresowego.

Przewidywane obfitości helu-4, deuteru, helu-3 i litu-7, zgodnie z przewidywaniami nukleosyntezy Big Bang, z obserwacjami pokazanymi w czerwonych okręgach. Chociaż niektóre elementy są budowane przez Wielki Wybuch, większość okresowych nie jest. Źródło zdjęcia: zespół naukowy NASA / WMAP.

W międzyczasie Hoyle wysunął własną hipotezę, że wszystkie wyższe pierwiastki poza helem zostały wyprodukowane w czerwonych olbrzymach. W ciągu dekady, od połowy lat 40. do połowy lat 50. XX wieku, zaczął rozważać różne rodzaje procesów jądrowych, które mogłyby budować wyższe pierwiastki, takie jak węgiel, azot i tlen w ognistych rdzeniach gwiazdowych. Wymagałyby one niezwykle wysokich temperatur utrzymywanych przez długi okres czasu.

W Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, duński fizyk jądrowy, założył potężne centrum struktury jądrowej o nazwie WK Kellogg Radiation Laboratory. Badacze tam w latach 50. obejmowali absolwenta Lauritsena, Williama Fowlera oraz syna Lauritsena, Thomasa, znakomitego fizyka. Laboratorium wyróżniło się zastosowaniem akceleratorów cząstek w celu przyspieszenia i skierowania cząstek w kierunku celów jądrowych, powodując w niektórych przypadkach transmutacje.

Willie Fowler w WK Kellogg Radiation Laboratory w Caltech, który potwierdził istnienie stanu Hoyle'a i procesu potrójnej alfa. Źródło zdjęcia: Archiwa Caltech.

Zainspirowany możliwościami Kellogg Lab, Hoyle zorganizował liczne długie wizyty w Caltech, począwszy od 1953 roku. Po przybyciu do laboratorium natychmiast wezwał badaczy do zbadania jego hipotezy o długo żyjącym podekscytowanym stanie węgla-12, który działał jako ważny krok w nukleosyntezie gwiazd. Fowler, dwójka Lauristen i inny fizyk o imieniu CW Cook postanowili znaleźć ten stan i bardzo szybko go stworzyli. To zapoczątkowało bardzo lukratywną współpracę między Hoyle, Fowler i innymi. Wkrótce dołączyła do nich żona i mąż brytyjskich astronomów E. Margaret i Geoffrey Burbidge, którzy pracowali z Hoyle w Cambridge.

Margaret i Geoffrey Burbidge, pionierzy w dziedzinie nukleosyntezy gwiazd. Źródło zdjęcia: Archiwa Caltech.

30 grudnia 1956 r. Prace nad transmutacją pierwiastków w Kellogg, polegające na bombardowaniu węglem deuteronów, zostały przedstawione w New York Times jako dowód na teorię stanu ustalonego w przeciwieństwie do Wielkiego Wybuchu. Nawiązując do wykładu wygłoszonego przez Thomasa Lauritsena na dorocznym spotkaniu American Physical Society w tym roku, jego nagłówek brzmiał: „Fizyk wytwarza hel z węgla; Transmutacja została okrzyknięta jako pomoc w wyjaśnieniu pochodzenia wszechświata; Hit teorii Wielkiego Wybuchu. ”

Nagłówki informujące o sukcesie nukleosyntezy gwiezdnej… oraz o podwyższeniu prognoz alfa-beta-gamma cięższych pierwiastków. Źródło zdjęcia: New York Times.

Niecały rok później, 1 października 1957 r., Dwie Burbidges, Fowler i Hoyle (B²FH) opublikowały w „Reviews of Modern Physics” seminarium „Synteza pierwiastków w gwiazdach”. Opierając się na wiedzy teoretycznej Hoyle'a, wiedzy obserwacyjnej Burbidges i eksperymentalnej sprawności Fowlera (którą podjął częściowo z CC Lauritsen), artykuł był doskonałą prezentacją budowy elementów, dzieląc je na różne procesy, zaczynając od spalania wodoru i spalania helu, a kończąc na procesach tzw. „s” (powolne wychwytywanie neutronów), „r” (szybkie wychwytywanie neutronów) i „p” (wychwytywanie protonów) z udziałem wyższych pierwiastków.

Sposoby budowania elementów - stabilnych i niestabilnych - z nukleosyntezy w gwiazdach. Źródło zdjęcia: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Pokazali, w jaki sposób starzejące się gwiazdy, które były wystarczająco masywne, takie jak Czerwoni Olbrzymi i Supergiganowie, mogą uznać za wykonalne energetycznie wykonanie wszystkich pierwiastków do żelaza w rdzeniach. Jeszcze wyższe elementy mogą być wytwarzane w ekstremalnych warunkach eksplozji supernowej, po której pełna gama elementów zostanie uwolniona w kosmos.

Resztka supernowej nie tylko wydala ciężkie pierwiastki powstałe podczas eksplozji z powrotem do Wszechświata, ale obecność tych pierwiastków można wykryć z Ziemi. Źródło zdjęcia: NASA / Chandra X-ray Observatory.

Głównym ograniczeniem wyróżniającego się artykułu był jego brak przewidywania ogromnej ilości helu w przestrzeni kosmicznej. Chociaż wszystkie gwiazdy łączą wodór z helem, stworzyłyby tylko Wszechświat, który jest obecnie mniej niż 5% masy helu. Obserwujemy jednak Wszechświat, w którym ponad 25% jego masy stanowi hel. Aby uzyskać ten odsetek, potrzebny był gorący Wielki Wybuch. Dokładne dopasowanie prognoz Wielkiego Wybuchu do rzeczywistego stosunku wodoru do helu, a także odkrycie w 1965 r. Przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona kosmicznego promieniowania tła, ochłodzenie „syku” promieniowania z wczesnego wszechświata, scementowane w głównym nurcie wsparcie astronomów dla Wielkiego Wybuchu nad stanem ustalonym.

W połowie lat 60. Hoyle i Burbidges porzucili pierwotną teorię stanu ustalonego, ale wraz ze studentem Hoyle'a Jayantem Narlikarem opracowali alternatywę z „małymi grzywkami” zwanymi stanem quasi-ustalonym. Do swojej śmierci w 2001 roku Hoyle kontynuował tę teorię. Podczas gdy Fowler zdobył nagrodę Nobla za swoje badania nuklearne w ogóle, zapewne Hoyle i Burbidges nie otrzymali stosunkowo niewielkiego uznania za ich znaczący wkład.

W 2007 roku wraz z Virginią Trimble pomogłem zorganizować sesję na spotkaniu American Physical Society na cześć 50. rocznicy publikacji B²FH. Geoffrey Burbidge, do tego czasu w złym stanie zdrowia, wspomagany przez pielęgniarkę i przykuty do wózka inwalidzkiego, uczestniczył i wygłosił mowę. Jednak jego duch i głos były tak silne, jak zawsze. Pamiętam, jak mówił o tym, że ludzie z Wielkiego Wybuchu są jak bezmyślne lemingi idące za swoim przywódcą nad urwiskiem. Zmarł niecałe trzy lata później.

Dziś Margaret Burbidge, w wieku 97 lat, jest jedynym żywym pismem, które wciąż żyje, ponieważ obchodzimy 60. rocznicę powstania. Wznieśmy toast za prof. Burbidge i jej zmarłych kolegów, aby uczcić moment, w którym ludzkość zdała sobie sprawę, że jest zrobiona z gwiazd!

Zaczyna się od huku ma siedzibę w Forbes, opublikowaną na średnim poziomie dzięki naszym zwolennikom Patreon. Zamów pierwszą książkę Ethana, Beyond The Galaxy, i zamów w przedsprzedaży jego następną, Treknology: The Science of Star Trek od Tricorderów do Warp Drive!