Päikese valgus on tingitud tuumasünteesist, mis muundab vesiniku peamiselt heeliumiks. Tähed võivad siiski läbida edasisi protsesse, luues sellest palju raskemaid elemente. Kujutise krediit: NASA / SDO.

60 aastat tähte

Kuidas inimkond avastas, kust meie elemendid pärinevad.

Selle artikli on kirjutanud Pennsylvania Teaduste Ülikooli füüsik Paul Halpern. Paul on uue raamatu "Kvant Labürint" autor: kuidas Richard Feynman ja John Wheeler revolutsioonisid aja ja reaalsuse.

„Te ei saaks siin olla, kui tähed poleks plahvatanud, sest elemendid - süsinik, lämmastik, hapnik, raud, kõik evolutsiooni ja elu jaoks olulised asjad polnud aegade alguses loodud. Need loodi tähtede tuumahjudes ja ainus viis nende kehasse sattumiseks on see, kui need tähed oleksid piisavalt lahked plahvatada ... ”-Lawrence Krauss

Teaduses ei pea kõige uskumatumate asjade korrektseks saamiseks kõike õigesti tegema. Mõnikord tekivad ebaõnnestunud paradigmast head ideed. Mõlema suurepäraseks näiteks on murranguline tähtede nukleosünteesi paber (keerukate tuumade loomine lihtsamatest), mis ilmus 1957. aastal ja mida pärast nelja autori initsiaale tuntakse lihtsalt kui B2FH. Esmakordselt pakkus see välja elementide moodustamise eduka mudeli. Selle eesmärk oli vältida Suure Paugu vajadust ja toetada alternatiivset seletust, mida nimetatakse püsiseisundi teooriaks. Tänapäeval, kui püsiseisundi teooria on mineviku reliikvia, täiendab täheline nukleosüntees Suure Paugu teooriat eduka ja põhjaliku selgitusega, kuidas kõik universumi elemendid olid üles ehitatud elementaarsetest osakestest.

Ajaloo kurioosne fakt on see, et kui astronoom kasutas esimest korda Universumi varajaste staadiumide kirjeldamiseks mõistet „suur pauk”, pidas ta seda silmas raevukalt. 1948. aasta BBC raadiointervjuus selle väljendi koostanud Cambridge'i teadlane Fred Hoyle (keskses lehes olev H-täht) arvas, et mõte kogu universumis tekkivast ainest tuleb korraga esile, nagu kolossaalse kosmilise piñata äkiline lõhkemine, olla ilmselgelt naeruväärne.

Fred Hoyle oli 1940-ndatel ja 1950-ndatel BBC raadioprogrammides korrapärane osaleja ja tähete nukleosünteesi valdkonnas üks mõjukamaid tegelasi. Kujutise krediit: British Broadcasting Company.

Ehkki ta uskus laienevasse kosmosesse, arvas ta, et see püsib püsivas olekus ligilähedases seisus ning aeglane värskete ainete torkimine täidab lünki - sarnaselt rätsepuga, kes lisab kasvavale lapsele muudetud ülikonnale uusi nuppe.

Suure Paugu ajal laienev universum põhjustab aine aja jooksul lahjenemist, samal ajal kui püsiseisundi teoorias tagab aine jätkuv loomine, et tihedus püsib aja jooksul muutumatuna. Pildikrediit: E. Siegel.

Thomas Goldi ja Herman Bondi koostöös välja töötatud Hoyle'i püsiseisundiskeemi üks peamisi probleeme oli selgitada, kuidas kosmosest järk-järgult imbuvad külmad elementaarsed osakesed võivad muutuda kõrgemateks elementideks. Selles valdkonnas väitis Suure Paugu teooria alguses olevat kõik vastused. George Gamow koos oma õpilase Ralph Alpheriga pidi seletama elementide loomise tervikut Suure Paugu nukleosünteesi abil. See tähendab, et nad väitsid, et Suure Paugu tuline pada pani lihtsamate prootonite ja neutronite ehitusplokkidest välja kõik looduslikud keemilised elemendid, alates vesinikust kuni uraanini. Nad avaldasid oma töö võtmepaberis “Keemiliste elementide päritolu”, mis ilmus aprillis 1948.

George Gamow, seistes (toruga) paremal, Braggi laboris aastatel 1930/1931. Pildikrediit: Serge Lachinov.

Gamow oli imelise huumorimeelega ja armastas mängida praktilisi nalju. Märkides, et Alpheri nimi ja tema meenutasid kreeka tähestiku, alfa ja gamma esimest ja kolmandat tähte, otsustas ta paberi esitamisel teise autorina lisada füüsik Hans Bethe nime, mis kõlas beeta moodi. Bethel polnud paberiga peaaegu midagi pistmist. Ta oli aga nukleosünteesi ekspert, nii et idee polnud nii hull, kui see kõlas. Seetõttu on seemneartiklit üldtuntud kui alfa-beeta-gamma-paberit. (Kui meeskonnaga liitus veel üks abiturient Robert Herman, soovitas Gamow naljatledes, et ta vahetaks oma nime "Delteriks", et see lihtsalt sisse mahuks.)

1948. aasta kuulus Alpher-Bethe-Gamowi paber, mis kirjeldas mõnda Suure Paugu nukleosünteesi peenemat punkti. Valguselemente ennustati õigesti; rasked elemendid polnud. Pildikrediit: Füüsiline ülevaade (1948).

Uhke oma nutika sõnamängu ja ka uudse idee tõttu saatis Gamow paberi koopia oma sõbrale Rootsi füüsikule Oskar Kleinile, nõustades teda selle olulisuses. "Näib, et see" tähestikuline "artikkel võib tähistada elementide tootmise alfa-oomega," kirjutas Gamow. "Kuidas sulle see meeldib?" Seejärel vastas Klein:

„Tänan teid väga, et saatsite mulle oma võluva tähestikulise paberi. Kas lubate mul siiski kahelda, kas see esindab elementide tootmise alfa- ja omega-algatust. Gamma osas olen muidugi sinuga täiesti nõus ja see helge algus näib tõepoolest kõige paljutõotavam, kuid edasise arengu osas näen raskusi. ”

Kleini vastus oli tõepoolest tabav. Alfa-beeta-gammapaber võiks sõna otseses mõttes selgitada ainult kolme esimest elementi: vesinikku, heeliumi ja (piiratud määral) liitiumit. Neid saab samm-sammult üles ehitada, nagu redelipulgad, lisades järgmisele isotoobile prootoni, neutroni või deuteroni (prootoni-neutroni kombinatsioon). Lisaks liitiumi tootmisele oli saatuslik probleem: puuduvad viis või kaheksa aatommassi stabiilset isotoopi (prootonite ja neutronite summa)!

  • Kui prooton või neutron lisatakse heelium-4-le, moodustades heelium-5 või liitium-5, põhjustab nende kummagi lagunemine vähem kui 10–21 sekundit.
  • Kahe heelium-4 tuuma liitmisel berüllium-8 saamiseks saadakse kõdunemine veidi alla 10–16 sekundi.

Ilma hea sammuta läbi viis või kaheksa massi, ei paistnud olevat head viisi edasiliikumiseks. Näiteks polnud süsinikku võimalik koguda, eriti piiratud aja jooksul, mil universum oli kõige kuumem. Kui mõelda veel kõrgematele, raskematele elementidele, siis probleem muutus veelgi raskemaks. Suure Paugu nukleosünteesi redelil puudusid seeläbi võtmetasandid, mis olid määratud kogu perioodilise tabeli täielikuks kirjelduseks.

Suure paugu nukleosünteesi abil ennustatud heelium-4, deuteerium, heelium-3 ja liitium-7 arvukus ennustatakse punastes ringides. Ehkki mõned elemendid on üles ehitatud Suure Paugu poolt, ei ole suurem osa perioodilisustabelist seda. Kujutise krediit: NASA / WMAP teadustiim.

Vahepeal esitas Hoyle oma hüpoteesi, et kõik heeliumist kõrgemad elemendid olid toodetud punastes hiiglaslikes tähtedes. Kümne aasta jooksul, 1940. aastate keskpaigast kuni 1950. aastate keskpaigani, hakkas ta kaaluma mitmesuguseid tuumaprotsesse, mis võiksid tulistes tähetuumades üles ehitada kõrgemaid elemente, näiteks süsinikku, lämmastikku ja hapnikku. Need nõuaksid tohutult kõrgeid temperatuure, mida hoitakse pikka aega.

Caltechis oli CC (Charles Christian) Taani tuumafüüsik Lauritsen asutanud võimsa tuumastruktuurikeskuse, mida nimetatakse WK Kelloggi kiirguslaboriks. Sealsete teadlaste hulka kuulusid 1950ndatel Lauritseni abiturient William Fowler ja Lauritseni poeg Thomas, kes oli omaette füüsik. Labori eristati osakeste kiirendite kasutamisega osakeste kiirendamiseks ja tuuma sihtmärkide poole kallutamiseks, põhjustades mõnel juhul transmutatsioone.

Willie Fowler WK Kelloggi kiirguslaboris Caltechis, mis kinnitas Hoyle'i oleku ja triple-alfa protsessi olemasolu. Kujutise krediit: Caltechi arhiiv.

Kelloggi labori võimekuse tõttu korraldas Hoyle 1953. aastast alates arvukalt pikki külastusi Caltechisse. Laborisse saabudes kutsus ta viivitamatult teadlasi üles uurima oma hüpoteesi süsiniku-12 pikaajalisest ergastatud olekust, mis toimis täht-nukleosünteesi oluline samm. Fowler, kaks Lauristeni ja teine ​​füüsik nimega CW Cook asusid selle oleku üles leidma ja suutsid selle varsti luua. Sellest sai alguse väga tulus koostöö Hoyle'i, Fowleri ja teiste vahel. Nendega liitus peagi Cambridge'is Hoyle'iga koos töötanud Briti astronoomide E. Margareti ja Geoffrey Burbidge'i abikaasa ja abikaasa.

Margaret ja Geoffrey Burbidge, pioneerid tähete nukleosünteesi valdkonnas. Kujutise krediit: Caltechi arhiiv.

30. detsembril 1956 näidati New York Timesis Kelloggi elementide transmutatsioonitööd, mis hõlmas süsiniku deuteroonidega pommitamist, tõestuseks stabiilse oleku teooriale, mitte Suurele Paugule. Viidates Thomas Lauritseni jutule sel aastal Ameerika Füüsikaühingu aastakoosolekul, kõlas selle pealkirjaks “Füüsik teeb süsinikust heeliumi; Transmutatsiooni kutsutakse üles aitama selgitada universumi päritolu; "Suure paugu" teooria löök. "

Tähtede nukleosünteesi õnnestumist kuulutavad pealkirjad ja raskemate elementide alfa-beeta-gamma ennustused Kujutise krediit: New York Times.

Vähem kui aasta hiljem, 1. oktoobril 1957, avaldasid kaks Burbidges'i, Fowler ja Hoyle (B²FH) ajakirjas Reviews of Modern Physics seminari paberi “Elementide süntees tähtedes”. Toetudes Hoyle'i teoreetilistele teadmistele, Burbidges'i vaatluslikule oskusteabele ja Fowleri eksperimentaalsele võimekusele (mille ta valis osaliselt CC Lauritsenilt), oli paber hiilgav ülevaade elementide üles ehitamisest, jagades need erinevateks protsessideks, alustades vesiniku ja heeliumi põlemisest ning jätkates niinimetatud “s” (aeglane neutronide hõivamine), “r” (kiire neutronide hõivamine) ja “p” (prootoni sidumine) protsessidega, mis hõlmavad kõrgemaid elemente.

Tähtede nukleosünteesi elementide - stabiilsete ja ebastabiilsete - moodustamise viisid. Pildikrediit: Woosley, Arnett ja Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Nad näitasid, kuidas vananevatel tähtedel, mis olid piisavalt massiivsed, nagu näiteks Punased hiiglased ja Supergandid, oli energeetiliselt otstarbekas luua kõik tuumad kuni raudadeni. Isegi kõrgemaid elemente saab toota supernoova plahvatuse ekstreemsetes tingimustes, mille korral kogu elementide ulatus vabastatakse kosmosesse.

Supernoova jäänuk mitte ainult ei lase plahvatuses tekkinud raskeid elemente tagasi Universumisse, vaid nende elementide olemasolu saab Maalt tuvastada. Pildikrediit: NASA / Chandra röntgenikiirguse vaatluskeskus.

Muidu silmapaistva artikli suurimaks piiranguks oli suutmatus ennustada kosmose massilist heeliumi. Kuigi kõik tähed sulanduvad vesinikku heeliumiks, loovad nad ainult Universumi, mille mass oli täna alla 5% heeliumist. Kuid me jälgime universumit, kus üle 25% selle massist on heelium. Selle protsendi saamiseks osutus vajalikuks kuum Suur Pauk. Suure Paugu ennustuste tihe vaste tegelikule vesiniku ja heeliumi suhtele, aga ka Arno Penzias ja Robert Wilsoni avastus kosmilise taustakiirguse kohta 1965. aastal, varajase universumi kiirgusjahutuse jahtunud "mürts", tsementeeritud peavooluga astronoomide toetus Suurele Paugule püsikiiruse üle.

1960-ndate aastate keskel langesid Hoyle ja Burbidges algsest püsiseisundi teooriast, kuid koos Hoyle'i õpilase Jayant Narlikariga arendati välja alternatiiv “väikeste tukkidega”, mida nimetatakse peaaegu ühtlaseks olekuks. Kuni oma surmani 2001. aastal võttis Hoyle selle teooria omaks. Kui Fowler võitis oma tuumauuringute eest üldiselt Nobeli preemia, said Hoyle ja Burbidges väidetavalt oma vähese panuse eest suhteliselt vähe krediiti.

Aitasin 2007. aastal koos Virginia Trimblega korraldada Ameerika Füüsika Seltsi koosolekul B²FH paberi 50. aastapäeva auks korraldatud sessiooni. Geoffrey Burbidge, kes oli selleks ajaks nõrga tervisega, abistas õde ja piirdus ratastooliga, osales ja rääkis. Tema vaim ja hääl olid aga sama tugevad kui kunagi varem. Ma mäletan, et ta rääkis, et Suure Paugu inimesed olid nagu meeletud lemmikud, jälgides oma juhti kalju kohal. Ta suri vähem kui kolm aastat hiljem.

Täna on Margaret Burbidge, 97-aastane, ainsana endiselt elusoleva paberi autor, kui mälestame selle 60. aastapäeva. Tõstame prof Burbidge'ile ja tema hilistele kolleegidele röstsaia, tähistamaks seda hetke, kui inimkond mõistis, et see on tehtud täht-kraami!

Starts With A Bang asub Forbes'is, mida avaldatakse keskmiselt tänu meie Patreoni toetajatele. Tellige Ethani esimene raamat „Beyond The Galaxy“ ja tellige tema järgmine, „Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i“!