Saules gaisma rodas kodolsintēzes dēļ, kas galvenokārt ūdeņradi pārvērš hēlijā. Tomēr zvaigznes var veikt turpmākus procesus, radot daudz smagākus elementus. Attēla kredīts: NASA / SDO.

60 gadu zvaigznītim

Kā cilvēce atklāja, no kurienes nāk mūsu elementi.

Šo rakstu rakstīja fiziķis Pols Halperns no Pensilvānijas Zinātņu universitātes. Pols ir jaunās grāmatas “Kvantu labirints” autors: kā Ričards Feinmans un Džons Vellers revolucionēja laiku un realitāti.

“Jūs nevarētu būt šeit, ja zvaigznes nebūtu eksplodējušas, jo elementi - ogleklis, slāpeklis, skābeklis, dzelzs, visas lietas, kas ir svarīgas evolūcijai un dzīvībai - laika sākumā nebija radītas. Tās tika izveidotas zvaigžņu kodola krāsnīs, un vienīgais veids, kā tās iekļūt jūsu ķermenī, ir tad, ja šīs zvaigznes būtu pietiekami laipnas, lai eksplodētu… ”- Lorenss Krauss

Zinātnē jums viss nav jādara pareizi, lai pareizi sakārtotu visneiedomājamākās lietas. Dažreiz labas idejas rodas no neveiksmīgas paradigmas. Lielisks abu piemērs ir revolucionārais zvaigžņu nukleosintēzes dokuments (sarežģītu kodolu izveidošana no vienkāršākiem), kas izdots 1957. gadā un kurš pēc četru autoru iniciāļiem pazīstams vienkārši kā B2FH. Pirmo reizi tas piedāvāja veiksmīgu elementu veidošanas modeli. Tā tika izstrādāta, lai izvairītos no nepieciešamības pēc lielā sprādziena un atbalstītu alternatīvu skaidrojumu, ko sauc par līdzsvara stāvokļa teoriju. Mūsdienās, kamēr līdzsvara stāvokļa teorija ir pagātnes relikts, zvaigžņu nukleosintēze papildina Lielā sprādziena teoriju veiksmīgā, visaptverošā skaidrojumā par to, kā visi Visuma elementi tika veidoti no elementārdaļiņām.

Tas ir zinātkārs vēstures fakts, ka pirmo reizi, kad astronoms lietoja terminu “Lielais sprādziens”, lai aprakstītu Visuma sākumposmu, viņš to domāja nicinoši. Kembridžas pētnieks Freds Hoilejs (“H” galvenajā dokumentā), kurš izteica izteicienu 1948. gada BBC radio intervijā, domāja, ka ideja par visām Visuma matērijām parādās uzreiz, piemēram, pēkšņi kolosāla kosmiskās piñata pārrāvuma, būt klaji smieklīgam.

Freds Hoils bija regulārs BBC radio programmās 1940. un 1950. gados, un viņš bija viens no ietekmīgākajiem skaitļiem zvaigžņu nukleosintēzes jomā. Attēla kredīts: British Broadcasting Company.

Kamēr viņš ticēja paplašināmajam kosmosam, viņš domāja, ka tas mūžīgi pastāvēs līdzsvara stāvoklī gandrīz līdzīgā stāvoklī ar lēnu svaigu vielu trīcēšanu, kas aizpilda nepilnības - līdzīgi kā šuvēja, pievienojot jaunas pogas uzvalkam, kas mainīts pieaugošam bērnam.

Lielajā sprādzienā paplašinošais Visums liek matiem laika gaitā atšķaidīties, savukārt līdzsvara stāvokļa teorijā nepārtraukta matērijas radīšana nodrošina, ka blīvums laika gaitā paliek nemainīgs. Attēla kredīts: E. Siegel.

Viena no galvenajām Hoila līdzsvara stāvokļa shēmas problēmām, kas tika izstrādāta kopā ar Tomasu Goldu un Hermanu Bondi, bija izskaidrojums, kā aukstās, elementārās daļiņas, kas pakāpeniski iesūcas kosmosā, var pārvērsties augstākos elementos. Šajā jomā Lielā sprādziena teorija sākumā apgalvoja, ka ir visas atbildes. Džordžs Gamovs kopā ar savu studentu Ralfu Alferu domāja izskaidrot visu elementu radīšanu, izmantojot lielā sprādziena nukleosintēzi. Tas ir, viņi apgalvoja, ka Lielā sprādziena ugunīgais katls no vienkāršākiem protonu un neitronu celtniecības blokiem kaldināja visus dabiskos ķīmiskos elementus, sākot no ūdeņraža līdz urānam. Viņi publicēja savu darbu pamatdokumentā “Ķīmisko elementu izcelsme”, kas parādījās 1948. gada aprīlī.

Džordžs Gamovs, stāvošs (ar cauruli) labajā pusē Braga laboratorijā 1930./1931.g. Attēla kredīts: Serge Lachinov.

Gamovam bija brīnišķīga humora izjūta un viņš mīlēja spēlēt praktiskus jokus. Atzīmējot, ka Alfera vārds un viņa atgādina grieķu alfabēta, alfa un gamma pirmos un trešos burtus, iesniedzot rakstu, viņš nolēma kā otro autoru pievienot fiziķa Hansa Betes vārdu, kas izklausījās kā beta. Bethe gandrīz nebija nekāda sakara ar papīru. Tomēr viņš bija nukleosintēzes eksperts, tāpēc ideja nebija tik traka, kā izklausījās. Līdz ar to sēklu rakstu vispārēji dēvē par alfa-beta-gamma papīru. (Kad komandai pievienojās cits absolvents Roberts Hermans, Gamovs jokojot ierosināja mainīt vārdu uz “Delter”, lai tikai iekļautos.)

Slavenais 1948. gada Alpher-Bethe-Gamow papīrs, kurā aprakstīti daži smalkā Lielā sprādziena nukleosintēzes punkti. Gaismas elementi tika pareģoti pareizi; smagie elementi nebija. Attēla kredīts: Fiziskais apskats (1948).

Lepojies ar savu gudro vārdu spēli, kā arī jauno ideju, Gamovs nosūtīja papīra kopiju savam draugam zviedru fiziķim Oskaram Kleinam, paziņojot viņam par tā nozīmīgumu. “Šķiet, ka šis“ alfabētiskais ”raksts var attēlot elementu ražošanas alfa līdz omega līmeni,” rakstīja Gamovs. "Kā jums tas patīk?" Pēc tam Kleins atbildēja:

“Liels paldies, ka atsūtījāt man savu burvīgo alfabēta rakstu. Vai jūs ļausit man tomēr šaubīties, vai tas pārstāv “elementu ražošanas alfa līdz omega”. Ciktāl tas attiecas uz gammu, es, protams, pilnīgi piekrītu jums un tas, ka šis gaišais sākums patiešām izskatās daudzsološākais, bet attiecībā uz tālāko attīstību es saskatu grūtības. ”

Patiešām, Kleina atbilde bija trāpīga. Alfa-beta-gamma papīrs burtiski varētu izskaidrot tikai pirmos trīs elementus: ūdeņradi, hēliju un (ierobežotā mērā) litiju. Tos varētu izveidot soli pa solim, piemēram, kāpņu kāpšļus, pievienojot protonu, neitronu vai deuteronu (protonu-neitronu kombināciju), lai paceltos nākamajā izotopā. Papildus litija ražošanai bija liktenīga problēma: nebija stabilu atomu masas izotopu (protonu un neitronu summa) pieci vai astoņi!

  • Ja hēlijam-4 pievieno vai nu protonu, vai neitronu, lai veidotu vai nu hēliju-5, vai litiju-5, tas vai nu viens noārdās mazāk nekā 10–21 sekundē.
  • Pievienojot divus hēlija-4 kodolus, lai izveidotu beriliju-8, tiek iegūta sabrukšana nedaudz zem 10–16 sekundēm.

Bez laba soļa caur piecu vai astoņu masu šķita, ka nav laba ceļa, lai virzītos tālāk. Piemēram, nebija iespējas samontēt oglekli, it īpaši ierobežotajā laikā Visums bija karstākais. Kad jūs domājāt par vēl augstākiem, smagākiem elementiem, problēma tikai kļuva grūtāka. Tādējādi Lielā sprādziena nukleosintēzes kāpnēs trūka atslēgu kārtu, kas to nolemja kā pilnīgas visas periodiskās tabulas aprakstu.

Paredzētais hēlija-4, deitērija, hēlija-3 un litija-7 pārpalikums, kā to prognozēja lielā sprādziena nukleosintēze, ar novērojumiem parādīti sarkanajos apļos. Lai gan dažus elementus veido lielais sprādziens, periodiskās tabulas lielākā daļa nav. Attēla kredīts: NASA / WMAP zinātnes komanda.

Tikmēr Hoile izvirzīja savu hipotēzi, ka visi augstākie elementi, kas atrodas ārpus hēlija, tika ražoti sarkanās milzu zvaigznēs. Desmit gadu laikā no 1940. gadu vidus līdz 50. gadu vidum viņš sāka apsvērt dažādu veidu kodolprocesus, kas ugunīgajos zvaigžņu kodolos varētu veidot augstākus elementus, piemēram, oglekli, slāpekli un skābekli. Tam būtu nepieciešama ļoti augsta temperatūra, kas ilgstoši tiek uzturēta.

Kaltekā CC (Čārlzs Kristians) Lauritsens, dāņu kodolfiziķis, bija izveidojis jaudīgu kodola struktūras centru, kuru sauca par WK Kellogg radiācijas laboratoriju. Pētnieki tur piecdesmitajos gados ietvēra Lauritsena absolventu Viljamu Fowleru un Lauritsena dēlu Tomasu, kurš pats bija izcils fiziķis. Laboratorija izcēlās ar daļiņu paātrinātāju izmantošanu, lai paātrinātu un virzītu daļiņas kodolmērķu virzienā, dažos gadījumos izraisot transmutācijas.

Willie Fowler WK Kellogg radiācijas laboratorijā Kaltehā, kas apstiprināja Hoilas štata un trīskāršās alfa procesa esamību. Attēla kredīts: Caltech Archives.

Pēc Kellogg Lab spējas, Hoyle noorganizēja daudzus ilgstošus apmeklējumus Kaltehā, sākot ar 1953. gadu. Ierodoties laboratorijā, viņš nekavējoties izaicināja pētniekus izpētīt viņa hipotēzi par ilgstošu satrauktu oglekļa-12 stāvokli, kas darbojās kā būtisks solis zvaigžņu nukleosintēzē. Fowlers, divi Lauristens un vēl viens fiziķis vārdā CW Cook gatavojās atrast šo stāvokli un ļoti drīz spēja to izveidot. Tā sākās ļoti ienesīga sadarbība starp Hoilu, Fouleru un citiem. Viņiem drīz pievienojās britu astronomu E. Margaretas un Džefrija Burbiidža sievu un vīru komanda, kas Kembridžā bija strādājuši kopā ar Hoilu.

Margareta un Džefrijs Burbiids, pionieri zvaigžņu nukleosintēzes jomā. Attēla kredīts: Caltech Archives.

1956. gada 30. decembrī elementu transmutācijas darbs Kelloggā, kas saistīts ar oglekļa bombardēšanu ar deuteroniem, tika atspoguļots New York Times kā pierādījums līdzsvara stāvokļa teorijai pretstatā lielajam sprādzienam. Atsaucoties uz Tomasa Lauritsena runu Amerikas Fizikāņu biedrības ikgadējā sanāksmē, tās virsraksts bija šāds: “Fiziķis padara oglekļa hēliju; Transmutācija tiek pasniegta kā palīdzība, lai izskaidrotu Visuma izcelsmi; 'Lielā sprādziena' teorijas rezultāts. "

Virsraksti, kas paziņo par zvaigžņu nukleosintēzes panākumiem… un smagāku elementu alfa-beta-gamma prognožu tuvošanos. Attēla kredīts: New York Times.

Mazāk nekā pēc gada, 1957. gada 1. oktobrī, divi Burbidges, Fowler un Hoyle (B²FH) publicēja pārskatus par Modern Physics semināra darbu “Zvaigžņu elementu sintēze”. Balstoties uz Hoilas teorētiskajām zināšanām, Burbidges novērošanas kompetenci un Fowlera eksperimentālo veiklību (ko viņš daļēji izvēlējās no CC Lauritsen), raksts bija lielisks ekspozīcijas apraksts par to, kā elementi tika veidoti, sadalot tos dažādos procesos, sākot ar ūdeņraža sadedzināšanu un hēlija sadedzināšanu, un turpinot līdz tā saucamajiem “s” (lēns neitronu uztveršana), “r” (strauja neitronu uztveršana) un “p” (protonu sagūstīšana) procesiem, kas saistīti ar augstākiem elementiem.

Zvaigžņu nukleosintēzes elementu - stabilu un nestabilu - veidošanas veidi. Attēla kredīts: Vooslijs, Ārnets un Klintsons (1974), Astrophysical Journal.

Viņi parādīja, kā novecojošām zvaigznēm, kas ir pietiekami masīvas, piemēram, Red Giants un Supergiants, varētu būt enerģētiski iespējams izveidot visus elementus, kas kodolos ir dzelzs. Pat augstākus elementus varētu iegūt supernovas sprādziena ekstremālos apstākļos, pēc kuriem visa elementu gamma tiktu izlaista kosmosā.

Supernovas paliekas ne tikai izvada sprādzienā radušos smagos elementus atpakaļ Visumā, bet šo elementu klātbūtni var noteikt arī no Zemes. Attēla kredīts: NASA / Chandra X-ray Observatory.

Citādi izcilā izstrādājuma galvenais ierobežojums bija tā nespēja paredzēt milzīgo hēlija daudzumu kosmosā. Lai arī visas zvaigznes sakausē ūdeņradi hēlijā, tās tikai radītu Visumu, kura masas ziņā šodien bija mazāks par 5% hēlija. Tomēr mēs novērojam Visumu, kurā vairāk nekā 25% no tā masas ir hēlijs. Lai iegūtu šo procentuālo daudzumu, izrādījās, ka ir vajadzīgs karstais Lielais sprādziens. Lielā sprādziena prognožu ciešā sasaiste ar faktisko ūdeņraža un hēlija attiecību, kā arī Arno Penzias un Roberta Vilsona 1965. gada atklājums par kosmisko fona starojumu ir agrīnā Visuma atdzisušā starojuma “šņācis”, kas ir cementēts galvenajā virzienā. astronomu atbalsts Lielajam sprādzienam virs līdzsvara stāvokļa.

Sešdesmito gadu vidū Hoyle un Burbidges atmeta sākotnējo līdzsvara stāvokļa teoriju, bet kopā ar Hoyle studentu Jayant Narlikar izstrādāja alternatīvu ar “mazajiem sprādzieniem”, ko sauca par gandrīz vienmērīgu stāvokli. Līdz nāvei 2001. gadā Hoils turpināja izmantot šo teoriju. Kamēr Fowlers vispār ieguva Nobela prēmiju par savu kodolpētniecību, domājams, ka Hoyle un Burbidges saņēma salīdzinoši nelielu kredītu par viņu galveno ieguldījumu.

2007. gadā kopā ar Virdžīniju Trimblu es palīdzēju organizēt sesiju Amerikas Fizisko biedrību sanāksmē par godu B²FH darba 50. gadadienai. Geoffrey Burbidge, līdz tam laikam sliktas veselības stāvoklī, ar medmāsas palīdzību un tikai ratiņkrēslā, apmeklēja un runāja. Tomēr viņa gars un balss bija tikpat spēcīga kā vienmēr. Es atceros, ka viņš runāja par to, ka Lielā sprādziena cilvēki ir kā bez prāta mīluļi, sekojot viņu vadītājam virs klints. Viņš nomira mazāk nekā trīs gadus vēlāk.

Mūsdienās Margareta Burbidže 97 gadu vecumā ir vienīgā darba autore, kas joprojām ir dzīva, pieminot tās 60. gadadienu. Pacelsim grauzdiņus prof. Burbidžai un viņas vēlīnajiem kolēģiem, atzīmējot brīdi, kad cilvēce saprata, ka tas ir veidots no zvaigžņu lietām!

Starts With A Bang atrodas Forbes, un tas tiek publicēts vidējā formātā, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem. Pasūtiet Etāna pirmo grāmatu “Beyond The Galaxy” un iepriekš pasūtiet viņa nākamo, Treknology: The Science of Star Trek no Tricorders līdz Warp Drive!