Το φως του Ήλιου οφείλεται στην πυρηνική σύντηξη, η οποία μετατρέπει κυρίως το υδρογόνο σε ήλιο. Ωστόσο, τα αστέρια μπορούν να υποστούν περαιτέρω διαδικασίες, δημιουργώντας πολύ βαρύτερα στοιχεία από αυτό. Πιστωτική εικόνα: NASA / SDO.

60 χρόνια αστεριού

Πώς ανακάλυψε η ανθρωπότητα από πού προέρχονται τα στοιχεία μας.

Αυτό το άρθρο γράφτηκε από τον φυσικό Paul Halpern του Πανεπιστημίου των Επιστημών στην Πενσυλβανία. Ο Paul είναι συγγραφέας του νέου βιβλίου The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman and John Wheeler Επανάσταση του χρόνου και της πραγματικότητας.

«Δεν θα μπορούσες να είσαι εδώ αν τα αστέρια δεν είχαν εκραγεί, γιατί τα στοιχεία - ο άνθρακας, το άζωτο, το οξυγόνο, ο σίδηρος, όλα τα πράγματα που έχουν σημασία για την εξέλιξη και για τη ζωή - δεν δημιουργήθηκαν στην αρχή του χρόνου. Δημιουργήθηκαν στους πυρηνικούς φούρνους των αστεριών, και ο μόνος τρόπος για να μπουν στο σώμα σας είναι αν αυτά τα αστέρια ήταν αρκετά καλοί για να εκραγούν… »-Lawrence Krauss

Στην επιστήμη, δεν χρειάζεται να έχετε τα πάντα σωστά για να διορθώσετε τα πιο απίστευτα πράγματα. Μερικές φορές καλές ιδέες προκύπτουν από ένα αποτυχημένο παράδειγμα. Ένα εξαιρετικό παράδειγμα και των δύο είναι το πρωτοποριακό χαρτί αστρικής νουκλεοσύνθεσης (δημιουργία σύνθετων πυρήνων από απλούστερους) χαρτί, που δημοσιεύθηκε το 1957, γνωστό απλά ως B2FH, μετά τα αρχικά των τεσσάρων συγγραφέων. Για πρώτη φορά, προσέφερε ένα επιτυχημένο μοντέλο σχηματισμού στοιχείων. Σχεδιάστηκε για να αποφύγει την ανάγκη για ένα Big Bang και να υποστηρίξει μια εναλλακτική εξήγηση που ονομάζεται Steady State θεωρία. Σήμερα, ενώ η θεωρία της Σταθερής Κατάστασης είναι ένα λείψανο του παρελθόντος, η αστρική πυρηνικοσύνθεση συμπληρώνει τη θεωρία του Big Bang σε μια επιτυχημένη, ολοκληρωμένη εξήγηση για το πώς όλα τα στοιχεία του σύμπαντος δημιουργήθηκαν από στοιχειώδη σωματίδια.

Είναι ένα περίεργο γεγονός της ιστορίας ότι την πρώτη φορά που ένας αστρονόμος χρησιμοποίησε τον όρο «Big Bang» για να περιγράψει τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος, το εννοούσε με δυσφορία. Ο ερευνητής του Cambridge Fred Hoyle (το «H» στο κεντρικό έγγραφο), ο οποίος επινόησε την έκφραση σε μια ραδιοφωνική συνέντευξη του BBC το 1948, σκέφτηκε ότι η ιδέα όλου του θέματος στο σύμπαν αναδύθηκε ταυτόχρονα, όπως η ξαφνική έκρηξη ενός κολοσσιακού κοσμικού piñata, να είμαστε ευγενικά γελοίοι.

Ο Fred Hoyle ήταν τακτικός στα ραδιοφωνικά προγράμματα του BBC στις δεκαετίες του 1940 και του 1950, και ήταν μια από τις πιο σημαντικές προσωπικότητες στον τομέα της αστρικής νουκλεοσύνθεσης. Πιστωτική εικόνα: British Broadcasting Company.

Ενώ πίστευε σε έναν αναπτυσσόμενο κόσμο, πίστευε ότι θα διαρκούσε για πάντα σε μια σταθερή κατάσταση σχεδόν ομοιότητας, με μια αργή στάλα φρέσκιας ύλης να γεμίζει τα κενά - παρόμοια με έναν ράφτη που προσθέτει νέα κουμπιά σε ένα κοστούμι που άλλαξε για ένα αναπτυσσόμενο παιδί.

Στο Big Bang, το διαστελλόμενο Σύμπαν προκαλεί αραίωση της ύλης με την πάροδο του χρόνου, ενώ στη Θεωρία Steady-State, η συνεχής δημιουργία ύλης διασφαλίζει ότι η πυκνότητα παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Πιστωτική εικόνα: E. Siegel.

Ένα από τα κύρια προβλήματα με το σχέδιο Steady State του Hoyle, που αναπτύχθηκε από κοινού με τους Thomas Gold και Herman Bondi, εξηγούσε πώς τα κρύα, στοιχειώδη σωματίδια που διαρρέουν σταδιακά στο διάστημα θα μπορούσαν να μεταδοθούν σε υψηλότερα στοιχεία. Σε αυτόν τον τομέα, η θεωρία του Big Bang, αρχικά, ισχυρίστηκε ότι είχε όλες τις απαντήσεις. Ο George Gamow, μαζί με τον μαθητή του Ralph Alpher, ισχυρίστηκαν ότι εξήγησαν το σύνολο της δημιουργίας στοιχείων μέσω της νουκλεοσύνθεσης Big Bang. Δηλαδή, υποστήριξαν ότι το φλογερό καζάνι του Big Bang σφυρηλάτησε όλα τα φυσικά χημικά στοιχεία, από το υδρογόνο μέχρι το ουράνιο, από τα απλούστερα δομικά στοιχεία πρωτονίων και νετρονίων. Δημοσίευσαν το έργο τους σε ένα βασικό έγγραφο «Origin of the Chemical Elements», που εμφανίστηκε τον Απρίλιο του 1948.

Ο Γιώργος Γκάμοβ, όρθιος (με σωλήνα) στα δεξιά, στο Εργαστήριο Bragg το 1930/1931. Πιστωτική εικόνα: Serge Lachinov.

Ο Gamow είχε μια υπέροχη αίσθηση του χιούμορ και του άρεσε να παίζει πρακτικά αστεία. Σημειώνοντας ότι το όνομα του Alpher και το όνομά του έμοιαζαν με τα πρώτα και τρίτα γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου, άλφα και γάμμα, όταν υπέβαλε το έγγραφο, αποφάσισε να προσθέσει το όνομα του φυσικού Hans Bethe, το οποίο ακούγεται σαν beta, ως ο δεύτερος συγγραφέας. Η Μπέθε δεν είχε σχεδόν καμία σχέση με το χαρτί. Ωστόσο, ήταν ειδικός στη νουκλεοσύνθεση, οπότε η ιδέα δεν ήταν τόσο τρελή όσο ακούστηκε. Ως εκ τούτου, το σπερματικό άρθρο είναι παγκοσμίως γνωστό ως το χαρτί άλφα-βήτα-γάμμα. (Όταν ένας άλλος μεταπτυχιακός φοιτητής Ρόμπερτ Χέρμαν εντάχθηκε στην ομάδα, ο Γκάμοου πρότεινε αστεία να αλλάξει το όνομά του σε «Ντέλτερ», για να ταιριάζει.

Το φημισμένο χαρτί Alpher-Bethe-Gamow του 1948, το οποίο περιγράφει λεπτομερώς μερικά από τα καλύτερα σημεία της Nucleosynthesis του Big Bang. Τα φωτεινά στοιχεία προβλέφθηκαν σωστά. τα βαριά στοιχεία δεν ήταν. Πιστωτική εικόνα: Physical Review (1948).

Υπερήφανος για το έξυπνο σενάριο λέξεων καθώς και για τη νέα του ιδέα, ο Gamow έστειλε ένα αντίγραφο του χαρτιού στον φίλο του Σουηδό φυσικό Oskar Klein, συμβουλεύοντάς τον για τη σημασία του. «Φαίνεται ότι αυτό το« αλφαβητικό »άρθρο μπορεί να αντιπροσωπεύει άλφα έως ωμέγα της παραγωγής στοιχείων», έγραψε ο Gamow. "Πως σας φαίνεται αυτό?" Ο Κλέιν απάντησε στη συνέχεια:

«Σας ευχαριστώ πολύ που μου στείλατε το γοητευτικό αλφαβητικό σας χαρτί. Θα μου επιτρέψετε, ωστόσο, να έχω κάποια αμφιβολία ως προς το ότι αντιπροσωπεύει «το άλφα έως το ωμέγα της παραγωγής στοιχείων». Όσον αφορά το γάμμα, συμφωνώ φυσικά απόλυτα μαζί σας και ότι αυτή η φωτεινή αρχή φαίνεται μάλλον πολλά υποσχόμενη, αλλά για την περαιτέρω εξέλιξη βλέπω δυσκολίες. "

Πράγματι, η απάντηση του Klein ήταν κατάλληλη. Το χαρτί άλφα-β-γ θα μπορούσε κυριολεκτικά να εξηγήσει μόνο τα τρία πρώτα στοιχεία: υδρογόνο, ήλιο και (σε ​​περιορισμένο βαθμό) λίθιο. Αυτά θα μπορούσαν να δημιουργηθούν βήμα προς βήμα, όπως τα σκαλοπάτια μιας σκάλας, με την προσθήκη ενός πρωτονίου, νετρονίου ή δευτερονίου (συνδυασμός πρωτονίων-νετρονίων) για να ανέβουν στο επόμενο ισότοπο. Πέρα από την παραγωγή λιθίου υπήρχε ένα θανατηφόρο πρόβλημα: δεν υπήρχαν σταθερά ισότοπα ατομικής μάζας (άθροισμα πρωτονίων συν νετρόνια) πέντε ή οκτώ!

  • Η προσθήκη είτε πρωτονίου είτε νετρονίου στο ήλιο-4, για τη δημιουργία είτε ηλίου-5 είτε λιθίου-5, θα προκαλούσε την αποσύνθεση είτε σε λιγότερο από 10-21 δευτερόλεπτα.
  • Η προσθήκη δύο πυρήνων ηλίου-4 μαζί, για τη δημιουργία βηρυλλίου-8, οδηγεί σε αποσύνθεση μόλις κάτω από 10-16 δευτερόλεπτα.

Χωρίς ένα καλό βήμα στη μάζα πέντε ή οκτώ, δεν φαίνεται να υπάρχει καλός τρόπος για να προχωρήσουμε περαιτέρω. Δεν υπήρχε τρόπος, για παράδειγμα, ο άνθρακας να συναρμολογηθεί, ειδικά στον περιορισμένο χρόνο που το σύμπαν ήταν στο πιο ζεστό του. Όταν σκεφτήκατε ακόμη υψηλότερα, βαρύτερα στοιχεία, το πρόβλημα έγινε όλο και πιο δύσκολο. Η σκάλα νουκλεοσύνθεσης του Big Bang έλειπε με αυτόν τον τρόπο βασικά σκαλοπάτια που την καταδίκασαν ως πλήρη περιγραφή ολόκληρου του περιοδικού πίνακα.

Οι προβλεπόμενες αφθονίες ηλίου-4, δευτερίου, ηλίου-3 και λιθίου-7 όπως προέβλεπε η Big Bang Nucleosynthesis, με παρατηρήσεις που φαίνονται στους κόκκινους κύκλους. Αν και ορισμένα στοιχεία δημιουργούνται από το Big Bang, το μεγαλύτερο μέρος του περιοδικού πίνακα δεν είναι. Πιστωτική εικόνα: Επιστημονική ομάδα της NASA / WMAP.

Ο Hoyle, εν τω μεταξύ, έθεσε τη δική του υπόθεση ότι όλα τα ανώτερα στοιχεία πέρα ​​από το ήλιο παρήχθησαν σε κόκκινα γιγαντιαία αστέρια. Κατά τη διάρκεια μιας δεκαετίας, από τα μέσα της δεκαετίας του 1940 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1950, άρχισε να εξετάζει διάφορους τύπους πυρηνικών διεργασιών που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν τα υψηλότερα στοιχεία, όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο στους πυριτικούς αστρικούς πυρήνες. Αυτά θα απαιτούσαν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες διατηρούμενες για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Στο Caltech, ο CC (Charles Christian) Lauritsen, ένας Δανός πυρηνικός φυσικός, είχε ιδρύσει ένα ισχυρό κέντρο πυρηνικής δομής που ονομάζεται WK Kellogg Radiation Laboratory. Οι ερευνητές εκεί τη δεκαετία του 1950 περιελάμβαναν τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Lauritsen, William Fowler, και τον γιο του Lauritsen, τον Thomas, έναν ικανό από μόνο του φυσικό. Το εργαστήριο έγινε διακεκριμένο για τη χρήση επιταχυντών σωματιδίων για την επιτάχυνση και την εκτόξευση σωματιδίων προς πυρηνικούς στόχους, προκαλώντας σε ορισμένες περιπτώσεις μεταβολές.

Ο Willie Fowler στο Εργαστήριο Ακτινοβολίας WK Kellogg στο Caltech, το οποίο επιβεβαίωσε την ύπαρξη του Hoyle State και τη διαδικασία τριπλού άλφα. Πιστωτική εικόνα: Caltech Archives.

Με την ικανότητα του εργαστηρίου Kellogg, ο Hoyle διοργάνωσε πολλές μακρές επισκέψεις στο Caltech, ξεκινώντας από το 1953. Όταν έφτασε στο εργαστήριο προκάλεσε αμέσως στους ερευνητές να διερευνήσουν την υπόθεσή του για μια μακροχρόνια ενθουσιασμένη κατάσταση άνθρακα-12 που ενήργησε ως ένα ζωτικό βήμα στην αστρική νουκλεοσύνθεση. Ο Fowler, οι δύο Lauristens, και ένας άλλος φυσικός που ονομάζεται CW Cook ξεκίνησαν να βρουν αυτήν την κατάσταση και κατάφεραν πολύ σύντομα να το παράγουν. Αυτό ξεκίνησε μια εξαιρετικά προσοδοφόρα συνεργασία μεταξύ Hoyle, Fowler και άλλων. Σύντομα ενώθηκαν από την ομάδα συζύγων των βρετανών αστρονόμων E. Margaret και Geoffrey Burbidge, οι οποίοι είχαν συνεργαστεί με τον Hoyle στο Cambridge.

Η Margaret και ο Geoffrey Burbidge, πρωτοπόροι στον τομέα της αστρικής νουκλεοσύνθεσης. Πιστωτική εικόνα: Caltech Archives.

Στις 30 Δεκεμβρίου 1956, το έργο μεταστοιχείων στο Kellogg, το οποίο αφορούσε βομβαρδισμό άνθρακα με δευτέρονους, εμφανίστηκε στους New York Times ως απόδειξη της θεωρίας του Steady State σε αντίθεση με το Big Bang. Αναφερόμενος σε μια ομιλία που έδωσε ο Thomas Lauritsen στην ετήσια συνάντηση της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας εκείνο το έτος, ο τίτλος της έγραφε: «Ο Φυσικός κάνει το Ήλιο του άνθρακα. Η μετάλλαξη χαιρετίζεται ως βοηθώντας στην εξήγηση της προέλευσης του σύμπαντος. Θεωρία «Big Bang». »

Οι τίτλοι που ανακοινώνουν την επιτυχία της αστρικής νουκλεοσύνθεσης… και την ανοδική πορεία των προβλέψεων άλφα-β-γάμμα βαρύτερων στοιχείων. Πιστωτική εικόνα: New York Times.

Λιγότερο από ένα χρόνο αργότερα, την 1η Οκτωβρίου 1957, οι δύο Burbidges, Fowler και Hoyle (B²FH) δημοσίευσαν στο περιοδικό Review of Modern Physics το σεμινάριο «Σύνθεση των Στοιχείων στα Αστέρια». Με βάση τη θεωρητική εμπειρογνωμοσύνη του Hoyle, την τεχνογνωσιακή τεχνογνωσία των Burbidges και την πειραματική ικανότητα του Fowler (την οποία πήρε εν μέρει από τον CC Lauritsen), το έγγραφο ήταν μια λαμπρή έκθεση για το πώς δημιουργήθηκαν τα στοιχεία, χωρίζοντάς τα σε διαφορετικές διαδικασίες, ξεκινώντας με καύση υδρογόνου και καύση ηλίου, και συνεχίζοντας με τις λεγόμενες διαδικασίες «s» (αργή σύλληψη νετρονίων), «r» (ταχεία σύλληψη νετρονίων) και «p» (σύλληψη πρωτονίων) που περιλαμβάνουν υψηλότερα στοιχεία.

Οι τρόποι δημιουργίας στοιχείων - σταθερών και ασταθών - από την πυρηνοσύνθεση στα αστέρια. Πιστωτική εικόνα: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Έδειξαν πώς τα γηράσκοντα αστέρια που ήταν αρκετά τεράστια, όπως οι Red Giants και Supergiants, μπορούσαν να το βρουν ενεργητικά εφικτό να δημιουργήσουν όλα τα στοιχεία έως το σίδερο στους πυρήνες τους. Τα ακόμη υψηλότερα στοιχεία θα μπορούσαν να παραχθούν στις ακραίες συνθήκες μιας έκρηξης σουπερνόβα, κατά την οποία η πλήρης γκάμα στοιχείων θα απελευθερωνόταν στο διάστημα.

Ένα υπόλειμμα σουπερνόβα όχι μόνο αποβάλλει βαριά στοιχεία που δημιουργήθηκαν στην έκρηξη πίσω στο Σύμπαν, αλλά η παρουσία αυτών των στοιχείων μπορεί να ανιχνευθεί από τη Γη. Πιστωτική εικόνα: Παρατηρητήριο ακτίνων Χ της NASA / Chandra.

Ο κύριος περιορισμός του κατά τα άλλα εξαιρετικού άρθρου ήταν η αποτυχία του να προβλέψει τη μαζική ποσότητα ηλίου στο διάστημα. Αν και όλα τα αστέρια συντήκουν το υδρογόνο στο ήλιο, θα δημιουργούσαν μόνο ένα Σύμπαν που, κατά μάζα, ήταν λιγότερο από 5% ήλιο σήμερα. Ωστόσο, παρατηρούμε ένα Σύμπαν όπου πάνω από το 25% της μάζας του είναι ήλιο. Για να παραχθεί αυτό το ποσοστό, το καυτό Big Bang αποδείχθηκε απαραίτητο. Ο στενός αγώνας των προβλέψεων του Big Bang με την πραγματική αναλογία υδρογόνου προς ήλιο, καθώς και η ανακάλυψη του 1965 από τον Άρνο Πενζίας και τον Ρόμπερτ Γουίλσον για την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, την ψυχρή «σφυριά» της ακτινοβολίας από το πρώιμο σύμπαν, τσιμέντο την υποστήριξη των αστρονόμων στο Big Bang πάνω από το Steady State.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, ο Hoyle και οι Burbidges έριξαν την αρχική θεωρία του Steady State, αλλά μαζί με τον μαθητή του Hoyle, Jayant Narlikar, ανέπτυξε μια εναλλακτική λύση με τα «μικρά κτυπήματα» που ονομάζονταν σχεδόν σταθερή κατάσταση. Μέχρι το θάνατό του το 2001, ο Χόιλ συνέχισε να αγκαλιάζει αυτήν τη θεωρία. Ενώ ο Fowler κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για την πυρηνική του έρευνα εν γένει, αναμφισβήτητα ο Hoyle και οι Burbidges έλαβαν σχετικά μικρή πίστωση για τις σημαντικές συνεισφορές τους.

Το 2007, μαζί με τη Βιρτζίνια Τρίμπλ, βοήθησα να οργανώσω μια συνεδρία σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας προς τιμήν της 50ης επετείου της εφημερίδας B²FH. Ο Geoffrey Burbidge, τότε που ήταν σε κακή υγεία, βοηθούσε μια νοσοκόμα, και περιορίστηκε σε αναπηρικό καροτσάκι, παρευρέθηκε και έδωσε μια ομιλία. Το πνεύμα και η φωνή του ήταν τόσο δυνατά όσο ποτέ. Τον θυμάμαι που μιλούσε για τους ανθρώπους του Big Bang να μοιάζουν με απρόσεκτους λεμόνι, ακολουθώντας τον αρχηγό τους πάνω σε ένα βράχο. Πέθανε λιγότερο από τρία χρόνια αργότερα.

Σήμερα η Margaret Burbidge, σε ηλικία 97 ετών, είναι η μόνη συγγραφέας της εφημερίδας που είναι ακόμα ζωντανή, καθώς εορτάζουμε την 60ή επέτειό της. Ας κάνουμε μια πρόποση στον καθηγητή Burbidge και στους αείμνηστους συναδέλφους της, για τον εορτασμό της στιγμής που η ανθρωπότητα συνειδητοποίησε ότι είναι φτιαγμένη από αστέρια!

Το Starts With A Bang βασίζεται στο Forbes, αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Παραγγείλετε το πρώτο βιβλίο του Ethan, Beyond The Galaxy και προπαραγγείλετε το επόμενο βιβλίο του, Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive!