Sunčeva svjetlost nastaje zbog nuklearne fuzije koja prvenstveno vodik pretvara u helij. Međutim, zvijezde mogu proći daljnje procese, stvarajući puno teže elemente od toga. Kreditna slika: NASA / SDO.

60 godina starstva

Kako je čovječanstvo otkrilo odakle potiču naši elementi.

Ovaj je članak napisao fizičar Paul Halpern sa Sveučilišta u Pennsylvaniji. Paul je autor nove knjige Kvantni labirint: Kako su Richard Feynman i John Wheeler revolucionirali vrijeme i stvarnost.

"Ne biste mogli biti ovdje da zvijezde nisu eksplodirale, jer elementi - ugljik, dušik, kisik, željezo, sve ono što je važno za evoluciju i život - nisu nastali na početku vremena. Stvorene su u nuklearnim pećama zvijezda, a jedini način da uđu u vaše tijelo jest ako su te zvijezde dovoljno ljubazne da eksplodiraju ... "-Lawrence Krauss

U znanosti, ne morate ispraviti sve kako biste ispravili najnevjerojatnije stvari. Ponekad dobre ideje proizlaze iz neuspjele paradigme. Odličan primjer oboje je revolucionarni papir zvjezdanih nukleosinteza (stvaranje složenih jezgara iz jednostavnijih), objavljen 1957. Godine, poznat pod nazivom B2FH, nakon inicijala četvorice autora. Po prvi put je ponudio uspješan model oblikovanja elemenata. Dizajniran je kako bi se izbjegla potreba za velikim praskom i podržalo alternativno objašnjenje nazvano teorija stabilne države. Danas, dok je teorija stabilnog stanja relikvija prošlosti, zvjezdana nukleosinteza nadopunjuje teoriju Velikog praska u uspješnom, sveobuhvatnom objašnjenju kako su svi elementi u svemiru izgrađeni od elementarnih čestica.

Zanimljiva je činjenica iz povijesti da je astronom prvi put kada je upotrijebio pojam "Veliki prasak" za opis rane faze svemira, a podrazumijevao je to podrugljivo. Cambridgeov istraživač Fred Hoyle ("H" u glavnom radu), koji je taj izraz izmislio u intervjuu za radio 1948. radio BBC-ja, mislio je da se ideja o cijeloj materiji u svemiru pojavila odjednom, poput iznenadnog praska kolosalnog kozmičkog piñata, biti očigledno smiješan.

Fred Hoyle bio je redoviti radio na BBC radijskim programima 1940-ih i 1950-ih i jedna od najutjecajnijih ličnosti na području zvjezdane nukleosinteze. Kreditna slika: British Broadcasting Company.

Iako je vjerovao u svemir koji se širi, mislio je da će trajati zauvijek u stabilnom stanju gotovo istovjetnosti, s polaganom strukturom svježe tvari koja popunjava praznine - slično krojaču koji dodaje nove gumbe odijelu promijenjenom za rastuće dijete.

U Velikom prasku, svemir koji se širi uzrokuje da se tvar vremenom razrjeđuje, dok u teoriji stalnog stanja kontinuirano stvaranje materije osigurava da gustoća ostaje konstantna s vremenom. Kreditna slika: E. Siegel.

Jedan od glavnih problema Hoyle-ove sheme za stalno stanje, razvijena zajedno s Thomasom Goldom i Hermanom Bondijem, bio je objašnjavanje kako hladne, elementarne čestice koje postepeno upadaju u svemir mogu pretvarati u više elemente. U toj domeni, u početku je teorija Velikog praska tvrdila da ima sve odgovore. George Gamow, zajedno sa svojim učenikom Ralphom Alpherom, nastojao je objasniti cjelokupnost stvaranja elemenata nukleosintezom Velikog praska. To jest, tvrdili su da je vatreni kotao Velikog praska forsirao sve prirodne kemijske elemente, od vodika do urana, iz jednostavnijih građevina protona i neutrona. Objavili su svoj rad u ključnom članku "Porijeklo kemijskih elemenata" koji je izašao u travnju 1948.

George Gamow, stojeći (s cijevi) s desne strane, u Bragg laboratoriju 1930/1931. Kreditna slika: Serge Lachinov

Gamow je imao prekrasan smisao za humor i volio je igrati praktične šale. Primjećujući da su Alpherovo ime i njegovo ime nalik prvom i trećem slovu grčke abecede, alfa i gama, kad je predao rad, odlučio je dodati ime fizičara Hans Bethea, koje je zvučalo kao beta, kao drugi autor. Bethe nije imala gotovo nikakve veze s novinama. Međutim, bio je stručnjak za nukleosintezu, pa ideja nije bila tako luda koliko je zvučala. Otuda je izvorni članak općenito poznat kao alfa-beta-gama rad. (Kad se još jedan maturant Robert Herman pridružio timu, Gamow je u šali predlagao da promijeni ime u "Delter", samo kako bi se uklopio.)

Čuveni članak Alpher-Bethe-Gamow iz 1948., koji je detaljno opisao neke od boljih točaka nukleosinteze Velikog praska. Svjetlosni elementi su pravilno predviđeni; teški elementi nisu bili. Kreditna slika: Fizički pregled (1948).

Ponosan na pametnu igru ​​riječi kao i na svoju romansu, Gamow je kopiju papira poslao svom prijatelju švedskom fizičaru Oskaru Kleinu, savjetujući ga o njegovoj važnosti. "Čini se da ovaj 'abecedni' članak može predstavljati alfa-omegu proizvodnje elemenata", napisao je Gamow. "Kako Vam se sviđa?" Klein je tada odgovorio:

"Puno vam hvala što ste mi poslali svoj šarmantni abecedni rad. Hoćete li mi dopustiti da sumnjam u to što predstavlja 'alfa do omega proizvodnje elemenata'. Što se tiče gama, slažem se, naravno, u potpunosti s vama i da ovaj svijetli početak zaista izgleda najperspektivnije, ali što se tiče daljnjeg razvoja, vidim poteškoće. "

Doista, Kleinov odgovor bio je prikladan. Alfa-beta-gama rad mogao bi doslovno objasniti samo prva tri elementa: vodik, helij i (u određenoj mjeri) litij. One bi se mogle graditi korak po korak, poput dijelova ljestvi, dodavanjem protona, neutrona ili deuterona (kombinacija protona-neutrona) da bi se popeo na sljedeći izotop. Dalje od proizvodnje litija postojao je fatalan problem: nije bilo stabilnih izotopa atomske mase (zbroj protona plus neutrona) pet ili osam!

  • Dodavanje protona ili neutrona heliju-4, za stvaranje helija-5 ili litija-5 uzrokovalo bi propadanje bilo kojeg za manje od 10–21 sekundi.
  • Dodavanjem dve jezgre helija-4, radi stvaranja berilija-8, dolazi do propadanja za nešto manje od 10–16 sekundi.

Bez dobrog koraka kroz masu pet ili osam, činilo se da ne postoji dobar način za napredak. Na primjer, ne postoji mogućnost sakupljanja ugljika, posebno u ograničenom vremenu u kojem je svemir bio najtopliji. Kada ste razmišljali o još višim, težim elementima, problem je samo postajao još teži. Ljestvi nukleosinteze Big Bang-a nedostajale su ključne ključeve koji su ga proglasili cjelovitim opisom čitave periodične tablice.

Predviđena obilje helija-4, deuterija, helija-3 i litija-7 kako je predviđala nukleosinteza Velikog praska, s opažanjima prikazanima u crvenim krugovima. Iako je neke elemente izgrađen Velikim praskom, većina periodične tablice nije. Bonus slike: NASA / WMAP znanstveni tim.

Hoyle je u međuvremenu iznio vlastitu hipotezu da su svi viši elementi izvan helija proizvedeni u crvenim džinovskim zvijezdama. Tijekom desetljeća, od sredine 40-ih do sredine 1950-ih, počeo je razmatrati razne vrste nuklearnih procesa koji su mogli izgraditi više elemente, poput ugljika, dušika i kisika u vatrenim zvjezdanim jezgrama. Za to bi bile potrebne neizmjerno visoke temperature koje se održavaju u dužem vremenskom razdoblju.

Na Caltechu, CC (Charles Christian) Lauritsen, danski nuklearni fizičar, osnovao je moćan centar za nuklearnu strukturu nazvan WK Kellogg Radiation Laboratory. Tamo su 1950-ih istraživači uključivali Lauritsenov diplomski student William Fowler i Lauritsenov sin Thomas, svoj vlastiti fizik. Laboratorij je postao prepoznatljiv po korištenju akceleratora čestica za ubrzavanje i bacanje čestica prema nuklearnim ciljevima, uzrokujući u nekim slučajevima transmutacije.

Willie Fowler iz laboratorija za zračenje WK Kellogg u Caltechu, koji je potvrdio postojanje države Hoyle i proces trostrukog alfa. Kreditna slika: Caltech Archives.

Privučen sposobnošću Kellogg laboratorija, Hoyle je organizirao brojne duge posjete Caltechu, počevši 1953. Po dolasku u laboratorij odmah je izazvao istraživače da istraže njegovu hipotezu o dugovječnom uzbuđenom stanju ugljika-12 koji je djelovao kao vitalni korak u zvjezdanoj nukleosintezi. Fowler, dva Lauristena i jedan drugi fizičar po imenu CW Cook krenuli su u pronalaženje tog stanja i vrlo brzo su ga uspjeli proizvesti. Time je započela vrlo unosna suradnja Hoyle-a, Fowlera i drugih. Ubrzo su im se pridružili ekipa supruga i muža britanskih astronoma E. Margaret i Geoffrey Burbidge, koji su radili s Hoyleom u Cambridgeu.

Margaret i Geoffrey Burbidge, pioniri u području zvjezdane nukleosinteze. Kreditna slika: Caltech Archives.

30. prosinca 1956., rad na transformaciji elemenata u Kelloggu, uključujući bombardiranje ugljikom deuteronima, predstavljen je u New York Timesu kao dokaz teoriji Steady State, za razliku od Velikog praska. Pozivajući se na govor koji je Thomas Lauritsen održao na godišnjem sastanku Američkog fizičkog društva te godine, njegov je naslov glasio: "Fizičar stvara helij od karbona; Transmutacija se smatra pomažući objasniti porijeklo svemira; Tečaj 'velikog praska'.

Naslovi koji najavljuju uspjeh zvjezdane nukleosinteze ... i okončanje alfa-beta-gama predviđanja težih elemenata. Kreditna slika: New York Times.

Manje od godinu dana kasnije, 1. listopada 1957., dvojica Burbidgesa, Fowlera i Hoylea (B²FH) objavili su u časopisu Review of Modern Physics seminarski rad "Sinteza elemenata u zvijezdama." Oslanjajući se na Hoyleovu teorijsku stručnost, promatračko znanje Burbidgesa i Fowlerovo eksperimentalno znanje (koje je dijelom pokupio iz CC Lauritsen), rad je bio sjajan prikaz načina na koji su elementi izgrađeni, dijeleći ih u različite procese, počevši sa sagorijevanjem vodika i spaljivanjem helija, te nastavljajući na takozvane „s“ (sporo hvatanje neutrona), „r“ (brzo hvatanje neutrona) i „p“ (hvatanje protona) koji uključuju više elemente.

Načini za izgradnju elemenata - stabilnih i nestabilnih - iz nukleosinteze u zvijezdama. Bonus slike: Woosley, Arnett i Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Pokazali su kako stare zvijezde koje su dovoljno masivne, kao što su Red Giants i Supergiants, mogu smatrati energetski izvedivim da sve elemente stvore do željeza u svojim jezgrama. Čak i viši elementi mogli bi se proizvesti u ekstremnim uvjetima eksplozije supernove, nakon čega bi se puna paleta elemenata ispuštala u svemir.

Ostatak supernove ne samo da teške elemente stvorene u eksploziji vraća u Svemir, već prisutnost tih elemenata može se otkriti sa Zemlje. Kreditna slika: NASA / Chandra X-ray Observatory.

Glavno ograničenje inače izvanrednog članka bio je njegov neuspjeh u predviđanju ogromne količine helija u svemiru. Iako sve zvijezde spajaju vodik u helij, one bi stvorile samo Univerzum koji je danas bio manji od 5% helija. Ipak, promatramo Univerzum u kojem je više od 25% njegove mase helij. Za postizanje tog postotka, pokazalo se da je potreban vrući Veliki prasak. Blisko podudaranje predviđanja Velikog praska sa stvarnim omjerom vodik-helij, kao i otkriće Arno Penziasa i Roberta Wilsona iz 1965. godine o kozmičkoj pozadinskoj radijaciji, ohladilo je "zviždanje" zračenja iz ranog svemira, zacementirano mainstream podrška astronoma Velikog praska nad Steady Stateom.

Sredinom 1960-ih, Hoyle i Burbidges odustali su od izvorne teorije stabilnog stanja, ali zajedno s Hoyleovim studentom Jayantom Narlikarom razvili su alternativu s „malim praskom“ nazvanim kvazi postojano stanje. Sve do svoje smrti 2001., Hoyle je nastavio prihvaćati tu teoriju. Dok je Fowler dobio Nobelovu nagradu za svoja nuklearna istraživanja općenito, vjerojatno Hoyle i Burbidges dobili su relativno malo zasluga za svoje temeljne priloge.

2007. godine, zajedno sa Virginia Trimble, pomogao sam organizirati sjednicu na sastanku Američkog fizičkog društva u čast 50. obljetnice rada B²FH. Geoffrey Burbidge, tada lošeg zdravlja, uz pomoć medicinske sestre i zatvorenom u invalidskim kolicima, prisustvovao je predavanju. Njegov duh i glas, međutim, bili su snažni kao i uvijek. Sjećam se kako je govorio o tome da su ljudi iz Velikog praska poput bezumnih leminga koji prate svog vođu preko litice. Umro je manje od tri godine kasnije.

Danas je Margaret Burbidge, u dobi od 97 godina, jedina autorica ovog članka još uvijek živa dok obilježavamo njenu 60. obljetnicu. Nazdravimo profesorici Burbidge i njezinim pokojnim kolegama, u slavlju trenutka kada je čovječanstvo shvatilo da je načinjeno od zvijezda!

Starts With A Bang sa sjedištem u Forbesu, ponovno objavljen na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Naručite Ethanovu prvu knjigu, Beyond The Galaxy, i unaprijed naručite njegovu sljedeću, Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive!