Ljós sólarinnar er vegna kjarnasamruna, sem aðallega breytir vetni í helíum. Hins vegar geta stjörnur farið í frekari ferli og skapað mun þyngri þætti en það. Myndinneign: NASA / SDO.

60 ára Starstuff

Hvernig mannkyn uppgötvaði hvaðan þættir okkar koma.

Þessi grein var skrifuð af eðlisfræðingnum Paul Halpern frá University of Sciences í Pennsylvania. Paul er höfundur nýju bókarinnar The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman and John Wheeler Revolutionized Time and Reality.

„Þú gætir ekki verið hér ef stjörnur hefðu ekki sprungið, vegna þess að þættirnir - kolefnið, köfnunarefnið, súrefnið, járnið, allt það sem skiptir máli fyrir þróunina og fyrir lífið - voru ekki búnir til í upphafi tímans. Þær voru búnar til í kjarnorkuofnum stjarna og eina leiðin fyrir þá að komast inn í líkama þinn er ef þessar stjörnur voru nógu góðar til að springa ... “-Lawrence Krauss

Í vísindum þarftu ekki að gera allt rétt til að ótrúlegustu hlutirnir séu réttir. Stundum koma góðar hugmyndir fram úr misheppnuðri hugmyndafræði. Frábært dæmi um hvort tveggja er byltingarkennd stjörnufrumukrabbamein (gerð flókinna kjarna úr einfaldari) pappír, gefin út árið 1957, þekkt einfaldlega sem B2FH, eftir upphafsstöfum fjögurra höfunda. Í fyrsta skipti bauð það upp á farsælan líkan af myndun frumefna. Það var hannað til að forðast þörf fyrir Big Bang og styðja aðra skýringu sem kallast Steady State theory. Í dag, meðan Steady State kenningin er leifar fortíðarinnar, er stjörnufrumukrabbamein viðbót við Big Bang kenninguna í vel heppnaðri, yfirgripsmikilli skýringu á því hvernig allir frumefnin í alheiminum voru byggð úr grunn agnum.

Það er forvitnileg staðreynd sögunnar að í fyrsta skipti sem stjörnufræðingur notaði hugtakið „Miklahvell“ til að lýsa fyrstu stigum alheimsins meinti hann það óráðslega. Fred Hoyle, fræðimaður Cambridge, („H“ í lykilritinu), sem snéri tjáningunni í útvarpsviðtali frá BBC frá 1948, hélt að hugmyndin um allt málið í alheiminum væri að koma fram í einu, eins og skyndilega sprenging af risavöxnum kosmískum píñata, að vera patently fáránlegur.

Fred Hoyle var venjulegur í útvarpsþáttum BBC á fjórða og sjötta áratug síðustu aldar og ein áhrifamesta persóna á sviði stjörnufrumukvilla. Myndinneign: Breska ríkisútvarpið.

Á meðan hann trúði á vaxandi andrúmsloft, hélt hann að það myndi endast að eilífu í stöðugu ástandi sem var nálægt samkvæmni, með hægum gryfju af fersku efni sem fyllti eyðurnar - svipað og klæðskerinn bætti við nýjum hnöppum í föt breytt fyrir vaxandi barn.

Í Miklahvell veldur stækkandi alheimurinn því að efni þynnast út með tímanum en í stöðugleika-kenningunni tryggir áframhaldandi sköpun efnis að þéttleiki haldist stöðugur með tímanum. Myndinneign: E. Siegel.

Eitt helsta vandamálið við Styley State kerfið Hoyle, sem var þróað ásamt Thomas Gold og Herman Bondi, var að útskýra hvernig köldu, grunnar agnirnar sem seytla smám saman út í geiminn gætu smitast yfir í hærri þætti. Á því sviði fullyrti Big Bang kenningin til að byrja með að hafa öll svörin. George Gamow, ásamt nemanda sínum Ralph Alpher, hét því að útskýra heild frumsköpunar í gegnum Big Bang núkleósafræði. Það er að segja, þeir héldu því fram að eldheitur ketill Miklahvals hafi falsað öll náttúrulegu efnafræðilega frumefnin, allt frá vetni upp í gegnum úran, út úr einfaldari róteind og nifteind byggingarreitum. Þeir gáfu út verk sín í lykilriti „Uppruni efnaþátta,“ sem birtist í apríl 1948.

George Gamow, stóð (með pípu) til hægri, í Bragg rannsóknarstofunni 1930/1931. Myndlán: Serge Lachinov.

Gamow hafði frábæra kímnigáfu og elskaði að leika hagnýta brandara. Hann tók eftir því að nafn Alpher og hans líktust fyrsta og þriðja staf í gríska stafrófinu, alfa og gamma, þegar hann lagði fram pappírinn, ákvað hann að bæta við nafni eðlisfræðings Hans Bethe, sem hljómaði eins og beta, sem annar höfundurinn. Bethe hafði nánast ekkert með blaðið að gera. Samt sem áður var hann sérfræðingur í kjarnamyndun, svo hugmyndin var ekki eins galin og hún hljómaði. Þess vegna er sæðisgreinin almennt þekkt sem alfa-beta-gamma pappír. (Þegar annar framhaldsnemi, Robert Herman, kom til liðsins lagði Gamow með gríni til að breyta nafni sínu í „Delter“, bara til að passa inn.)

Hið fræga blað Alpher-Bethe-Gamow frá 1948, þar sem gerð var grein fyrir nokkrum fínni atriðum Big Bang Nucleosynthesis. Léttu þáttunum var spáð rétt; þungu þættirnir voru það ekki. Myndinneign: Líkamleg endurskoðun (1948).

Gamow var stoltur af snjalli orðalagi sínu sem og skáldsöguhugmynd sinni og sendi afrit af blaðinu til sænska eðlisfræðingsins Oskar Klein með ráðleggingum um mikilvægi þess. „Svo virðist sem þessi 'stafrófsröð' grein gæti verið fulltrúi alfa til omega í frumefnaframleiðslunni,“ skrifaði Gamow. "Hvernig líkar þér?" Klein svaraði síðan:

„Þakka þér kærlega fyrir að senda mér heillandi stafrófsröðina. Viltu leyfa mér að efast um að það sé „alfa til omega frumefnisframleiðslunnar“. Hvað gamma nær, þá er ég auðvitað alveg sammála þér og að þetta bjarta upphaf er örugglega efnilegast en hvað varðar frekari þróun þá sé ég erfiðleika. “

Reyndar voru viðbrögð Kleins viðeigandi. Alfa-beta-gamma pappírinn gæti bókstaflega útskýrt fyrstu þrjá frumefnin: vetni, helíum og (að takmörkuðu leyti) litíum. Þetta gæti verið byggt upp skref fyrir skref, eins og þrep stigans, með því að bæta róteind, nifteind eða deuteron (róteind-nifteind samsetning) til að rísa upp í næstu samsætu. Umfram litíumframleiðslu var banvænt vandamál: það voru engar stöðugar samsætur af lotukerfismassa (summa róteinda auk nifteinda) fimm eða átta!

  • Að bæta annað hvort róteind eða nifteind við helíum-4, til að búa til annaðhvort helíum-5 eða litíum-5, myndi valda því að annað hvort rotnar á innan við 10–21 sekúndu.
  • Að bæta tveimur helíum-4 kjarna saman, til að búa til beryllíum-8, leiðir til rotnunar á tæplega 10–16 sekúndum.

Án góðs skrefs í gegnum fimm eða átta messu virtist engin góð leið vera til framfara. Það var engin leið, til dæmis var hægt að setja kolefni saman, sérstaklega á þeim takmarkaða tíma sem alheimurinn var hvað heitastur. Þegar þú hugsaðir um enn hærri, þyngri þætti, þá varð vandamálið aðeins erfiðara. Þar með vantaði lykilþrengslin á Big Bang kjarnatengingu sem dæmd var sem fullkomin lýsing á öllu lotukerfinu.

Spáð var miklu um helíum-4, deuteríum, helíum-3 og litíum-7 eins og spáð var með Big Bang núkleósafræði, með athugunum sem sýndar voru í rauðu hringjunum. Þrátt fyrir að sumir þættir séu byggðir upp af Miklahvellinu er flesta lotukerfið ekki. Myndinneign: vísindateymi NASA / WMAP.

Hoyle setti fram á meðan sína tilgátu um að allir æðri þættirnir umfram helíum væru framleiddir í rauðum risastjörnum. Á áratug, frá miðjum fjórða áratugnum og fram yfir miðjan sjötta áratuginn, byrjaði hann að huga að ýmsum tegundum kjarnorkuferla sem gætu byggt upp hærri þætti, svo sem kolefni, köfnunarefni og súrefni í eldheitu stjörnu kjarna. Þetta þyrfti gríðarlega háan hita viðvarandi í langan tíma.

Hjá Caltech hafði CC (Charles Christian) Lauritsen, danskur kjarnaeðlisfræðingur, stofnað öfluga kjarnorkumannvirkjamiðstöð sem kallast WK Kellogg geislunarrannsóknarstofa. Rannsakendur þar á sjötta áratugnum voru meðal annars framhaldsneminn Lauritsen, William Fowler, og Thomas, sonur Lauritsen, afreks eðlisfræðings í sjálfu sér. Rannsóknarstofan var aðgreind fyrir notkun ögn hröðunar til að flýta fyrir og henda ögnum í átt að kjarnorkumarkmiðum, sem olli í sumum tilfellum umskipti.

Willie Fowler í geislarannsóknarstofu WK Kellogg í Caltech, sem staðfesti tilvist Hoyle-ríkisins og þrefalda alfa ferlið. Myndinneign: Caltech skjalasafn.

Teiknað af getu Kellogg Lab og Hoyle skipulagði fjölmargar langar heimsóknir til Caltech og hófst árið 1953. Þegar hann kom á rannsóknarstofuna skoraði hann strax á vísindamennina að kanna tilgátu hans um langlíft spennt ástand kolefnis-12 sem virkaði sem ómissandi skref í stjörnuæxlisfrumu. Fowler, Lauristens tvö, og annar eðlisfræðingur að nafni CW Cook, ætluðu að finna það ástand og tókst mjög stuttlega að framleiða það. Það hófst mjög ábatasamt samstarf Hoyle, Fowler og annarra. Þeir komu fljótlega til liðs við eiginkonu- og eiginmannasveit breskra stjörnufræðinga E. Margaret og Geoffrey Burbidge, sem höfðu unnið með Hoyle í Cambridge.

Margaret og Geoffrey Burbidge, brautryðjendur á sviði stjörnuæxlis. Myndinneign: Caltech skjalasafn.

Hinn 30. desember 1956 var umbreytingarstörf frumefna í Kellogg, þar sem um var að ræða sprengjuárás á kolefni með deuterons, sýnd í New York Times sem sönnun fyrir Steady State kenningunni öfugt við Big Bang. Með vísan til erindis sem Thomas Lauritsen flutti á ársfundi American Physical Society það ár, var yfirskrift þess, „Eðlisfræðingur gerir Helium of Carbon; Sending er hæl sem hjálpar til við að skýra uppruna alheimsins; The Big Bang 'Theory Hit. “

Fyrirsagnirnar sem tilkynna árangur stjörnufrumukrabbameins… og aukningu alfa-beta-gamma spár þyngri frumefna. Myndinneign: New York Times.

Minna en ári síðar, 1. október 1957, birtu Burbidges tveir, Fowler, og Hoyle (B²FH) í Umsögnum um nútíma eðlisfræði málstofubókina „Synthesis of the Elements in Stars.“ Sem byggir á fræðilegri þekkingu Hoyle, athugunarþekkingu Burbidges og tilraunakennd Fowlers (sem hann tók upp að hluta frá CC Lauritsen), var pappírinn snilldarleg útlistun á því hvernig þættirnir voru byggðir upp og skiptu þeim í mismunandi ferla, byrjað á vetnisbrennslu og helíumbrennslu og haldið áfram í svokölluðum „s“ (hægur nifteindasnyrtingu), „r“ (skjótur nifteindanotkun) og „p“ (róteindarupptaka) ferla sem fela í sér hærri þætti.

Leiðirnar til að byggja upp þætti - stöðugar og óstöðugar - frá núkleósafræði í stjörnum. Myndinneign: Woosley, Arnett og Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Þeir sýndu hvernig öldrun stjarna sem voru nógu stórfelld, svo sem Red Giants og Supergiants, gætu fundið það ötullega mögulegt að búa til alla þætti upp að járni í kjarna sínum. Jafnvel hærri þættirnir gætu verið framleiddir við erfiðar aðstæður sprengistjarna sprengistjörnu, en fullum tón frumefnanna yrði sleppt út í geiminn.

Sprengistjörnaleif leifar ekki aðeins þungum þáttum sem verða til við sprenginguna aftur inn í alheiminn, heldur er hægt að greina nærveru þessara þátta frá jörðinni. Myndinneign: NASA / Chandra X-ray Observatory.

Helsta takmörkunin á greininni sem að öðru leyti var framúrskarandi var bilun þess að spá fyrir um gríðarlegt magn af helíum í geimnum. Þrátt fyrir að allar stjörnur smelti vetni saman við helíum myndu þær aðeins búa til alheim sem var miðað við massa minna en 5% helíum í dag. Samt lítum við á alheiminn þar sem meira en 25% af massa hans er helíum. Til að framleiða það hlutfall reyndist heita Big Bang þörf. Náin samsvörun Big Bang spáir við raunverulegt vetni-helíum hlutfall, sem og uppgötvun Arno Penzias og Robert Wilson frá 1965 frá hinni kosmísku bakgrunnsgeislun, kældu „hvæs“ geislunar frá fyrri alheiminum, sementuðu almennum Stuðningur stjörnufræðinga við Miklahvell yfir Steady State.

Um miðjan sjöunda áratuginn lögðu Hoyle og Burbidges niður upprunalegu kenninguna um Steady State, en ásamt námsmanni Hoyle, Jayant Narlikar, þróaði hann valkost með „litlum smellum“ sem kallast hálfgerða stöðuna. Fram til dauðadags árið 2001 hélt Hoyle áfram að faðma þá kenningu. Þó Fowler vann Nóbelsverðlaunin fyrir kjarnorkurannsóknir sínar almennt, fengu Hoyle og Burbidges að öllum líkindum tiltölulega lítið lánstraust fyrir sáðframlag sitt.

Árið 2007, ásamt Virginia Trimble, hjálpaði ég til við að skipuleggja lotu á fundi American Physical Society til heiðurs 50 ára afmæli B²FH blaðsins. Geoffrey Burbidge, þá við lélega heilsu, aðstoðaði hjúkrunarfræðing og einskorðaðist við hjólastól, mætti ​​og hélt erindi. Andi hans og rödd voru þó eins sterk og alltaf. Mig minnir að hann hafi talað um að Big Bang-fólkið væri eins og huglausir lemmar í kjölfar leiðtoga síns yfir kletti. Hann lést minna en þremur árum síðar.

Í dag er Margaret Burbidge, 97 ára að aldri, eini höfundur blaðsins sem enn er á lífi en við minnumst 60 ára afmælis hennar. Við skulum lyfta ristuðu brauði til prófessors Burbidge og seinna samstarfsmanna hennar, í tilefni af því augnabliki sem mannkynið áttaði sig á því að það er úr stjörnuefni!

Starts With A Bang er staðsett á Forbes, endurútgefið á Medium þökk sé stuðningsmönnum okkar Patreon. Pantaðu fyrstu bók Ethans, Beyond The Galaxy, og pantaðu næstu bók sína, Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive!