Светлината на Слънцето се дължи на ядрен синтез, който основно превръща водорода в хелий. Въпреки това звездите могат да претърпят допълнителни процеси, създавайки много по-тежки елементи от това. Кредит за изображение: NASA / SDO.

60 години Starstuff

Как човечеството откри, откъде идват нашите елементи.

Тази статия е написана от физика Пол Халперн от Университета на науките в Пенсилвания. Пол е автор на новата книга „Квантовият лабиринт: как Ричард Фейнман и Джон Уилър революционизираха времето и реалността.

„Не бихте могли да бъдете тук, ако звездите не бяха избухнали, защото елементите - въглеродът, азотът, кислородът, желязото, всички неща, които имат значение за еволюцията и за живота - не бяха създадени в началото на времето. Те са създадени в ядрените пещи на звезди и единственият начин да влязат в тялото ви е, ако тези звезди са били мили, за да експлодират ... ”-Лаурънс Краус

В науката не е нужно да правите всичко както трябва, за да коригирате най-невероятните неща. Понякога добрите идеи възникват от провалена парадигма. Отличен пример за двете е новаторската звездна нуклеосинтезна хартия (създаване на сложни ядра от по-прости) хартия, публикувана през 1957 г., известна просто като B2FH, след инициалите на четиримата автори. За първи път тя предложи успешен модел за формиране на елементи. Той е създаден, за да избегне нуждата от Голям взрив и да подкрепи алтернативно обяснение, наречено теория на стабилната държава. Днес, докато теорията на Steady State е реликва от миналото, звездната нуклеосинтеза допълва теорията на Големия взрив в успешно, изчерпателно обяснение как всички елементи във Вселената са били изградени от елементарни частици.

Любопитен факт от историята е, че за пръв път астроном използва термина „Голям взрив”, за да опише ранните етапи на Вселената, той е имал предвид насмешно. Изследователят на Кеймбридж Фред Хойл ("H" в основната книга), който изложи израза в интервю за радио от 1958 г. по BBC, помисли, че идеята за цялата материя във Вселената се появява веднага, като внезапния изблик на колосална космическа пиньята, да бъде явно нелепо.

Фред Хойл е редовен в радиопрограмите на BBC през 40-те и 50-те години на миналия век и една от най-влиятелните фигури в областта на звездната нуклеосинтеза. Кредит за изображения: British Broadcasting Company.

Докато вярваше в разширяващия се космос, той смяташе, че това ще трае вечно в Стационарно състояние с почти еднаквост, с бавен струйка свежа материя, запълваща пропуските - подобно на шивач, който добавя нови копчета към костюм, променен за растящо дете.

В Големия взрив разширяващата се Вселена кара материята да се разрежда с течение на времето, докато в теорията на стабилното състояние непрекъснатото създаване на материя гарантира, че плътността остава постоянна във времето. Кредитна снимка: Е. Сийгъл.

Един от основните проблеми на схемата за стабилна държава на Хойл, разработена съвместно с Томас Голд и Херман Бонди, беше обяснението как студените, елементарни частици, постепенно проникващи в космоса, могат да се превръщат във по-високи елементи. В тази област теорията за Големия взрив в началото твърдеше, че има всички отговори. Джордж Гамов, заедно със своя ученик Ралф Алфър, се опитва да обясни цялостта на създаването на елементи чрез нуклеосинтеза на Големия взрив. Тоест, те твърдяха, че огненият казан на Големия взрив изкова всички естествени химически елементи, от водорода нагоре през урана, от по-простите протонни и неутронни строителни блокове. Те публикуват работата си в основен документ „Произход на химичните елементи“, който се появява през април 1948 г.

Джордж Гамов, стоящ (с тръба) вдясно, в лабораторията на Брег през 1930/1931 г. Кредитна снимка: Сергей Лачинов.

Gamow имаше прекрасно чувство за хумор и обичаше да играе практически шеги. Отбелязвайки, че името на Алфер и неговите наподобяват първата и третата буква на гръцката азбука, алфа и гама, когато той представя документа, той решава да добави името на физик Ханс Бете, което звучеше като бета, като втори автор. Бете нямаше почти нищо общо с хартията. Той обаче беше експерт в нуклеосинтезата, така че идеята не беше толкова луда, колкото звучи. Следователно семенната статия е широко известна като алфа-бета-гама хартия. (Когато друг аспирант Робърт Херман се присъедини към екипа, Gamow шеговито предложи да смени името си на „Delter“, само за да се побере.)

Известната хартия на Алфер-Бете-Гамов от 1948 г., която подробно описва някои от по-фините точки на нуклеосинтезата на Големия взрив. Светлинните елементи бяха предвидени правилно; тежките елементи не бяха. Кредитна снимка: Физически преглед (1948).

Горд с умелата си игра на думи, както и с новата си идея, Гъмов изпраща копие от вестника на своя приятел шведския физик Оскар Клайн, като го съветва за важността му. "Изглежда, че тази" азбучна "статия може да представлява алфа до омега на производството на елементи", пише Gamow. "Харесва ли Ви?" След това Клайн отговори:

„Благодаря ви много, че ми изпратихте очарователната си азбучна хартия. Ще ми позволите ли обаче да имам някакво съмнение относно представянето му „алфа до омега на производството на елементи“. Що се отнася до гамата, съгласен съм, разбира се, напълно с вас и че това светло начало наистина изглежда най-обещаващо, но по отношение на по-нататъшното развитие виждам трудности. "

Всъщност отговорът на Клайн беше удачен. Алфа-бета-гама хартията може буквално да обясни само първите три елемента: водород, хелий и (в ограничена степен) литий. Те могат да бъдат изградени стъпка по стъпка, подобно на стълбите на стълба, чрез добавяне на протон, неутрон или дейтерон (комбинация от протон-неутрон), за да се издигне до следващия изотоп. Отвъд производството на литий имаше фатален проблем: нямаше стабилни изотопи с атомна маса (сума от протони плюс неутрони) пет или осем!

  • Добавянето на протон или неутрон към хелий-4, за да се създаде или хелий-5, или литий-5, би довело до разпадане на един или по-малко от 10–21 секунди.
  • Добавянето на две ядра хелий-4 заедно, за да се създаде берилий-8, води до разпад за малко по-малко от 10-16 секунди.

Без добра стъпка през масата пет или осем изглеждаше, че няма добър начин за напредък по-нататък. Няма как например въглеродът да бъде сглобен, особено в ограниченото време, когато Вселената е била в най-горещото. Когато помислихте за още по-високи, по-тежки елементи, проблемът ставаше само по-труден. По този начин в стълбата на нуклеосинтезата на Големия взрив липсваха ключови стълбове, които я обричаха като пълно описание на цялата периодична таблица.

Прогнозираното изобилие на хелий-4, деутерий, хелий-3 и литий-7, както е предвидено от нуклеосинтезата на Големия взрив, с наблюдения, показани в червените кръгове. Въпреки че някои елементи са изградени от Големия взрив, повечето от периодичната таблица не са. Кредитно изображение: Научен екип на НАСА / WMAP.

Междувременно Хойл изложи собствената си хипотеза, че всички по-високи елементи отвъд хелия са произведени в червени гигантски звезди. В продължение на десетилетие, от средата на 40-те до средата на 50-те години, той започва да разглежда различни видове ядрени процеси, които могат да изграждат по-високите елементи, като въглерод, азот и кислород в огнени звездни ядра. Това би изисквало изключително високи температури, поддържани за дълги периоди от време.

В Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, датски ядрен физик, е създал мощен център за ядрена структура, наречен радиационна лаборатория WK Kellogg. Изследователите там през 50-те години включват аспирантът на Лаурицен Уилям Фаулър и синът на Лаурицен Томас, самостоятелно завършен физик. Лабораторията стана известна с използването на ускорители на частици за ускоряване и насочване на частици към ядрени цели, причинявайки в някои случаи трансмутации.

Уили Фаулър в лабораторията за радиация на WK Kellogg в Калтех, която потвърди съществуването на държавата Хойл и процеса на тройната алфа. Кредит за изображения: Архив Калтех.

Създаден от способността на лабораторията на Келог, Хойл организира многобройни дълги посещения в Калтех, в началото на 1953 г. След пристигането си в лабораторията веднага предизвикал изследователите да проучат хипотезата му за дълго живеещо възбудено състояние на въглерод-12, действал като жизненоважна стъпка в звездната нуклеосинтеза. Фаулър, двамата лауристени и друг физик на име CW Кук се заеха да открият това състояние и успяха много скоро да го произведат. Това започна изключително доходоносно сътрудничество между Хойл, Фаулър и други. Те скоро се присъединяват от екипа на съпругата и съпруга на британските астрономи Е. Маргарет и Джефри Бърбидж, които са работили с Хойл в Кеймбридж.

Маргарет и Джефри Бърбидж, пионери в областта на звездната нуклеосинтеза. Кредит за изображения: Архив Калтех.

На 30 декември 1956 г. елементът по трансмутация на елементи в Келог, включващ бомбардиране на въглерод с деутрони, е представен в New York Times като доказателство за теорията на Steady State за разлика от Големия взрив. Позовавайки се на беседа на Томас Лаурицен на годишната среща на Американското физическо общество през същата година, заглавието й гласеше: „Физикът прави хелий от въглерод; Трансмутацията е приветствана като помощ за обяснение на произхода на Вселената; "Хит на теорията за големия взрив". "

Заглавията, съобщаващи успеха на звездната нуклеосинтеза ... и продължаването на алфа-бета-гама прогнозите на по-тежки елементи. Кредит за изображения: New York Times.

По-малко от година по-късно, на 1 октомври 1957 г., двете Burbidges, Fowler и Hoyle (B²FH) публикуват в „Рецензии на съвременната физика“ семинарната книга „Синтез на елементите в звезди“. Изхождайки от теоретичната експертиза на Хойл, наблюдателното ноу-хау на Burbidges и експерименталното умение на Fowler (което той взе отчасти от CC Lauritsen), документът беше блестящо изложение на начина, по който са изградени елементите, разделяйки ги на различни процеси, като се започне с изгарянето на водород и изгарянето на хелий и продължава до така наречените процеси „s“ (бавно улавяне на неутрони), „r“ (бързо улавяне на неутрони) и „p“ (улавяне на протони), включващи по-високи елементи.

Начините за изграждане на елементи - стабилни и нестабилни - от нуклеосинтеза в звезди. Кредит за изображения: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Те показаха как стареещите звезди, които бяха достатъчно масивни, като Red Giants и Supergiants, могат да намерят енергийно възможно да създадат всички елементи до желязо в своите ядра. Още по-високите елементи могат да бъдат произведени в екстремните условия на експлозия на свръхнова, при която пълната гама от елементи ще бъде пусната в космоса.

Остатък от свръхнова изхвърля не само тежки елементи, създадени при експлозията обратно във Вселената, но и наличието на тези елементи може да бъде открито от Земята. Кредитно изображение: рентгенова обсерватория на НАСА / Чандра.

Основното ограничение на иначе изключителния артикул беше неспособността му да предвиди огромното количество хелий в космоса. Въпреки че всички звезди сливат водород в хелий, те биха създали само Вселена, която днес беше по-малко от 5% хелий. И все пак ние наблюдаваме Вселена, където повече от 25% от нейната маса е хелий. За да се получи този процент, горещият Голям взрив се оказа необходим. Близкият мач на прогнозите на Големия взрив с действителното съотношение водород-хелий, както и откритието от Арно Пензиас и Робърт Уилсън от 1965 г. за космическото фоново излъчване, охладеното „съскане“ на радиацията от ранната Вселена, циментира основното течение подкрепата на астрономите на Големия взрив над Стационарната държава.

В средата на 60-те години Хойл и Бурджъдж отпаднаха от оригиналната теория за стабилната държава, но заедно с ученика на Хойл Джейънт Нарликар разработи алтернатива с „малки бретончета“, наречени квазиустойчиво състояние. До смъртта си през 2001 г. Хойл продължава да възприема тази теория. Докато Фоулър печели Нобеловата награда за своите ядрени изследвания като цяло, спорно Хойл и Бурбиджиите получиха сравнително малък кредит за своите първоначални приноси.

През 2007 г., заедно с Вирджиния Тримбъл, помогнах за организирането на сесия на среща на Американското физическо общество в чест на 50-годишнината на документа B²FH. Дотогава Джефри Бърбидж, влошено здраве, подпомаган от медицинска сестра и прикован до инвалидна количка, присъства и говори. Духът и гласът му обаче бяха силни както винаги. Спомням си, че говореше за това, че хората от Големия взрив са като безмозъчни леминги, които следват своя водач над скала. Умира по-малко от три години по-късно.

Днес Маргарет Бърбидж, на 97 години, е единствената авторка на документа, който все още е жив, когато отбелязваме неговата 60-годишнина. Нека вдигнем тост за проф. Бърбидж и нейните покойни колеги, в чест на момента, в който човечеството разбра, че е направено от звездни неща!

Starts With A Bang е базиран във Forbes, публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Поръчайте първата книга на Итън, „Отвъд галактиката“ и предварително поръчайте следващата му „Трекнология: Науката за звезден път от трикрилите до Warp Drive!