Свет Солнца происходит из-за ядерного синтеза, который в первую очередь превращает водород в гелий. Тем не менее, звезды могут подвергаться дальнейшим процессам, создавая гораздо более тяжелые элементы, чем это. Изображение предоставлено NASA / SDO.

60 лет звездного материала

Как человечество обнаружило, откуда берутся наши элементы.

Эта статья была написана физиком Полом Халперном из Университета наук в Пенсильвании. Пол является автором новой книги «Квантовый лабиринт: как Ричард Фейнман и Джон Уилер революционизировали время и реальность».

«Вы не могли бы быть здесь, если бы звезды не взорвались, потому что элементы - углерод, азот, кислород, железо, все, что имеет значение для эволюции и для жизни - не были созданы в начале времени. Они были созданы в ядерных печах звезд, и единственный способ для них проникнуть в ваше тело, если эти звезды были достаточно добры, чтобы взорваться… »-Лавренс Краусс

В науке вам не нужно все делать правильно, чтобы самые невероятные вещи были правильными. Иногда хорошие идеи возникают из неудачной парадигмы. Прекрасным примером того и другого является новаторская статья о звездном нуклеосинтезе (создание сложных ядер из более простых), опубликованная в 1957 году, известная просто как B2FH, после инициалов четырех авторов. Впервые он предложил успешную модель формирования элементов. Он был разработан, чтобы избежать необходимости Большого взрыва и поддержать альтернативное объяснение под названием теория устойчивого состояния. Сегодня, в то время как теория устойчивого состояния является пережитком прошлого, звездный нуклеосинтез дополняет теорию Большого взрыва в успешном, всеобъемлющем объяснении того, как все элементы во вселенной были построены из элементарных частиц.

Любопытно, что исторический случай, когда астроном впервые использовал термин «большой взрыв» для описания ранних стадий Вселенной, он имел в виду насмешливо. Исследователь из Кембриджа Фред Хойл («H» в ключевой газете), придумавший это выражение в радиоинтервью BBC 1948 года, подумал, что идея всей материи во вселенной возникает сразу, как внезапный взрыв колоссальной космической пиньята, быть явно смешным.

Фред Хойл был постоянным участником радиопрограмм Би-би-си в 1940-х и 1950-х годах и одной из самых влиятельных фигур в области звездного нуклеосинтеза. Изображение предоставлено: British Broadcasting Company.

В то время как он верил в расширяющийся космос, он думал, что это будет длиться вечно в устойчивом состоянии, близком к одинаковому, с медленной струйкой свежей материи, заполняющей пробелы - подобно портному, добавляющему новые пуговицы в костюм, измененный для растущего ребенка.

В Большом Взрыве расширяющаяся Вселенная заставляет вещество растворяться со временем, в то время как в Теории Стационарного состояния непрерывное создание материи гарантирует, что плотность остается постоянной во времени. Изображение предоставлено: E. Siegel.

Одной из основных проблем схемы устойчивого состояния Хойла, разработанной совместно с Томасом Голдом и Германом Бонди, было объяснение того, как холодные элементарные частицы, постепенно просачивающиеся в пространство, могут превращаться в высшие элементы. В этой области теория Большого взрыва сначала утверждала, что имеет все ответы. Джордж Гамов вместе со своим учеником Ральфом Альфером пытался объяснить всю полноту создания элементов посредством нуклеосинтеза Большого взрыва. То есть они утверждали, что огненный котел Большого взрыва выковал все природные химические элементы, от водорода до урана, из более простых протонных и нейтронных строительных блоков. Они опубликовали свои работы в ключевом документе «Происхождение химических элементов», вышедшем в апреле 1948 года.

Джордж Гамов, стоящий (с трубкой) справа, в лаборатории Брэгга в 1930/1931 годах. Изображение предоставлено: Сергей Лачинов.

У Гамова было прекрасное чувство юмора, и он любил играть в шутки. Отметив, что имя Альфера и его имя напоминали первые и третьи буквы греческого алфавита, альфа и гамму, когда он представил статью, он решил добавить имя физика Ганса Бете, которое звучало как бета, в качестве второго автора. Бете почти не имела ничего общего с газетой. Тем не менее, он был экспертом в области нуклеосинтеза, поэтому идея не была настолько безумной, как звучало. Следовательно, оригинальная статья широко известна как альфа-бета-гамма-бумага. (Когда к команде присоединился еще один аспирант Роберт Херман, Гамов в шутку предложил изменить свое имя на «Дельтер», просто чтобы соответствовать.)

Знаменитая статья Альфера-Бете-Гамова 1948 года, в которой подробно описаны некоторые тонкости нуклеосинтеза Большого взрыва. Легкие элементы были предсказаны правильно; тяжелых элементов не было. Изображение предоставлено: Physical Review (1948).

Гордясь своей умной игрой слов, а также своей новой идеей, Гамов послал копию статьи своему другу шведскому физику Оскару Кляйну, сообщив ему о его важности. «Кажется, что эта« алфавитная »статья может представлять альфа к омеге производства элементов», - написал Гамов. "Как вам это нравится?" Кляйн тогда ответил:

«Большое спасибо за то, что прислали мне свою очаровательную алфавитную газету. Вы позволите мне, однако, иметь некоторые сомнения относительно того, что он представляет «альфа к омеге производства элементов». Что касается гаммы, я, конечно, полностью согласен с вами, и что это яркое начало выглядит действительно многообещающе, но в отношении дальнейшего развития я вижу трудности ».

Действительно, ответ Кляйна был удачным. Бумага альфа-бета-гамма могла буквально объяснить только первые три элемента: водород, гелий и (в ограниченной степени) литий. Они могут быть построены шаг за шагом, как ступеньки лестницы, добавив протон, нейтрон или дейтрон (комбинация протон-нейтрон), чтобы подняться до следующего изотопа. Помимо производства лития возникла фатальная проблема: не было стабильных изотопов с атомной массой (сумма протонов плюс нейтроны) пять или восемь!

  • Добавление протона или нейтрона к гелию-4 для создания гелия-5 или лития-5 может привести к его распаду менее чем за 10–21 секунду.
  • Добавление двух ядер гелия-4 для создания бериллия-8 приводит к распаду всего за 10–16 секунд.

Без хорошего шага по пятой или восьмой массе, казалось бы, не было хорошего пути для дальнейшего прогресса. Например, углерод не мог быть собран, особенно в ограниченное время, когда Вселенная была в самом разгаре. Когда вы думали о еще более высоких и тяжелых элементах, проблема только усложнялась. Таким образом, в лестнице нуклеосинтеза Большого взрыва отсутствовали ключевые ступени, которые обрекли ее на полное описание всей периодической таблицы.

Предсказанное содержание гелия-4, дейтерия, гелия-3 и лития-7, предсказанное в результате нуклеосинтеза Большого взрыва, при этом наблюдения показаны в красных кружках. Хотя некоторые элементы созданы Большим взрывом, большая часть периодической таблицы - нет. Изображение предоставлено научной группой NASA / WMAP.

Тем временем Хойл выдвинул свою собственную гипотезу о том, что все высшие элементы за пределами гелия были созданы в красных гигантских звездах. В течение десятилетия, с середины 1940-х до середины 1950-х годов, он начал рассматривать различные типы ядерных процессов, которые могут накапливать высшие элементы, такие как углерод, азот и кислород в огненных звездных ядрах. Это потребует чрезвычайно высоких температур, поддерживаемых в течение длительных периодов времени.

В Калифорнийском технологическом институте (Чарльз Кристиан) Лауритсен, датский физик-ядерщик, создал мощный центр ядерных структур под названием Лаборатория радиации Келлогга. Исследователи в 1950-х годах включали в себя аспиранта Лауритсена Уильяма Фаулера и сына Лауритсена Томаса, который сам по себе является опытным физиком. Лаборатория стала известной благодаря использованию ускорителей частиц для ускорения и отбрасывания частиц к ядерным целям, что в некоторых случаях приводило к трансмутации.

Вилли Фаулер из Лаборатории радиации Келлогга в Калифорнии, которая подтвердила существование состояния Хойла и процесса тройной альфа. Изображение предоставлено: Caltech Archives.

Привлеченный возможностями лаборатории Келлогга, Хойл организовал многочисленные длительные визиты в Калтех, начиная с 1953 года. Прибыв в лабораторию, он немедленно бросил вызов исследователям, чтобы исследовать его гипотезу о долгоживущем возбужденном состоянии углерода-12, которое действовало как жизненно важный шаг в звездном нуклеосинтезе. Фаулер, два Лауристена и еще один физик по имени К.У. Кук отправились на поиски этого состояния и очень скоро смогли его создать. Это положило начало очень выгодному сотрудничеству между Хойлом, Фаулером и другими. Вскоре к ним присоединились команда мужа и жены британских астрономов Э. Маргарет и Джеффри Бербидж, которые работали с Хойлом в Кембридже.

Маргарет и Джеффри Бербидж, пионеры в области звездного нуклеосинтеза. Изображение предоставлено: Caltech Archives.

30 декабря 1956 года работа по трансмутации элементов в Келлоге, включающая бомбардировку углерода дейтронами, была показана в «Нью-Йорк таймс» в качестве доказательства теории устойчивого состояния в отличие от Большого взрыва. Ссылаясь на выступление Томаса Лауритсена на ежегодном собрании Американского физического общества в том же году, его заголовок гласил: «Физик производит гелий из углерода; Трансмутация провозглашается как помощь в объяснении происхождения Вселенной; Теория Большого взрыва.

Заголовки, объявляющие об успехе звездного нуклеосинтеза ... и о предсказаниях альфа-бета-гамма более тяжелых элементов. Изображение предоставлено New York Times.

Менее чем через год, 1 октября 1957 года, два Бербиджа, Фаулер и Хойл (B²FH) опубликовали в «Обзорах современной физики» статью для семинара «Синтез элементов в звездах». Опираясь на теоретический опыт Хойла, ноу-хау Бербиджа и экспериментальное мастерство Фаулера (которое он частично получил от С. К. Лауритсена), эта статья была блестящим изложением того, как были созданы элементы, разделив их на различные процессы, начиная с сжигания водорода и гелия и заканчивая так называемыми процессами «s» (медленный захват нейтронов), «r» (быстрый захват нейтронов) и «p» (захват протонов) с участием высших элементов.

Способы создания элементов - стабильных и нестабильных - из нуклеосинтеза в звездах. Изображение предоставлено: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Они показали, как стареющие звезды, которые были достаточно массивными, такие как Красные гиганты и Супергиганты, могли с энергетической точки зрения создать все элементы вплоть до железа в своих ядрах. Элементы еще более высокого уровня могут быть получены в экстремальных условиях взрыва сверхновой, когда весь спектр элементов будет выпущен в космос.

Остаток сверхновой не только удаляет тяжелые элементы, созданные при взрыве, обратно во Вселенную, но и присутствие этих элементов может быть обнаружено с Земли. Изображение предоставлено: НАСА / Рентгеновская обсерватория Чандра.

Основным ограничением остальной выдающейся статьи была ее неспособность предсказать огромное количество гелия в космосе. Хотя все звезды сливают водород в гелий, они создали бы только Вселенную, которая по массе составляла менее 5% гелия сегодня. И все же мы наблюдаем Вселенную, где более 25% ее массы составляет гелий. Чтобы получить этот процент, горячий Большой взрыв оказался необходим. Точное совпадение предсказаний Большого взрыва с фактическим отношением водорода к гелию, а также открытие Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году космического фонового излучения, остывшего «шипения» излучения ранней Вселенной, цементированного основного потока. поддержка астрономами Большого взрыва по устойчивому государству.

В середине 1960-х годов Хойл и Бурбидж отказались от первоначальной теории устойчивого состояния, но вместе с учеником Хойла Джаянтом Нарликаром разработал альтернативу с «небольшими ударами», названную квазистационарным состоянием. До своей смерти в 2001 году Хойл продолжал придерживаться этой теории. В то время как Фаулер получил Нобелевскую премию за свои ядерные исследования в целом, возможно, Хойл и Бербиджи получили сравнительно мало кредитов за свой оригинальный вклад.

В 2007 году вместе с Вирджинией Тримбл я помог организовать сессию на собрании Американского физического общества в честь 50-летия статьи B²FH. Джеффри Бербидж, к тому времени со слабым здоровьем, при поддержке медсестры и прикованный к инвалидной коляске, присутствовал и выступил с докладом. Однако его дух и голос были сильны как никогда. Я вспоминаю, как он говорил о том, что люди Большого взрыва походили на безумных леммингов, следующих за своим вождем через скалу. Он умер менее чем через три года.

Сегодня Маргарет Бербидж, в возрасте 97 лет, является единственным автором статьи, которая еще жива, поскольку мы отмечаем ее 60-летие. Давайте поднимем тост за профессора Бербиджа и ее покойных коллег в честь того момента, когда человечество осознало, что оно сделано из звездных вещей!

Starts With A Bang основана в Forbes, переиздана на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Закажите первую книгу Итана «За пределами галактики» и закажите его следующую «Treknology: Наука звездного пути» от Tricorders до Warp Drive!