Ang ilaw ng Araw ay dahil sa nuclear fusion, na pangunahing nag-convert ng hydrogen sa helium. Gayunpaman, ang mga bituin ay maaaring sumailalim sa mga karagdagang proseso, na lumilikha ng mas mabibigat na elemento kaysa rito. Credit ng larawan: NASA / SDO.

60 Taon ng Starstuff

Paano natuklasan ng sangkatauhan kung saan nagmula ang ating mga elemento.

Ang artikulong ito ay isinulat ng pisiko na si Paul Halpern ng University of the Sciences sa Pennsylvania. Si Paul ay may-akda ng bagong libro na The Quantum Labyrinth: Paano sina Richard Feynman at John Wheeler Revolutionized Time and Reality.

"Hindi ka maaaring narito kung ang mga bituin ay hindi sumabog, dahil ang mga elemento - ang carbon, nitrogen, oxygen, iron, lahat ng bagay na mahalaga para sa ebolusyon at para sa buhay - ay hindi nilikha sa simula ng oras. Nilikha sila sa mga nukleyar na hurno ng mga bituin, at ang tanging paraan para sa kanila upang makapasok sa iyong katawan ay kung ang mga bituing iyon ay mabait na sumabog ... "-Lawrence Krauss

Sa agham, hindi mo kailangang makuha ang lahat upang maayos na tama ang mga hindi kapani-paniwalang bagay. Minsan ang magagandang ideya ay lumitaw mula sa isang nabigo na paradigma. Ang isang mahusay na halimbawa ng pareho ay ang groundbreaking stellar nucleosynthesis paper (paglikha ng kumplikadong nuclei mula sa mas simple) na papel, na inilathala noong 1957, na kilala lamang bilang B2FH, pagkatapos ng mga inisyal ng apat na may-akda. Sa kauna-unahang pagkakataon, nag-alok ito ng isang matagumpay na modelo ng pagbuo ng elemento. Ito ay dinisenyo upang maiwasan ang pangangailangan para sa isang Big Bang, at upang suportahan ang isang kahaliling paliwanag na tinawag na teorya ng Estado ng Estado. Ngayon, habang ang teorya ng Estado ng Mundo ay isang relic ng nakaraan, ang stellar nucleosynthesis ay nagpupuno sa teorya ng Big Bang sa isang matagumpay at komprehensibong paliwanag kung paano ang lahat ng mga elemento sa uniberso ay itinayo mula sa elementarya.

Ito ay isang kataka-taka na katotohanan ng kasaysayan na sa kauna-unahang pagkakataon na ginamit ng isang astronomo ang salitang "Big Bang" upang ilarawan ang mga unang yugto ng Uniberso, sinadya niya itong derisibong. Ang mananaliksik ng Cambridge na si Fred Hoyle (ang "H" sa pivotal paper), na nag-umpisa ng ekspresyon sa isang pakikipanayam sa radyo sa radyo ng 1948, naisip ang ideya ng lahat ng bagay sa sansinukob na umusbong nang sabay-sabay, tulad ng biglaang pagsabog ng isang napakalawak na kosmic piñata, upang maging mapigil na nakakatawa.

Si Fred Hoyle ay regular sa mga programa sa radyo ng BBC noong 1940 at 1950s, at isa sa mga pinaka-impluwensyang numero sa larangan ng stellar nucleosynthesis. Credit ng larawan: British Broadcasting Company.

Habang siya ay naniniwala sa isang lumalawak na kosmos, naisip niya na mananatili itong magpakailanman sa isang matatag na Estado na malapit sa pagkakatulad, na may isang mabagal na trickle ng sariwang bagay na pinupuno ang mga gaps - katulad ng isang pang-angkop na pagdaragdag ng mga bagong pindutan sa isang suit na binago para sa isang lumalagong bata.

Sa Big Bang, ang pagpapalawak ng Uniberso ay nagdudulot ng bagay na mawala sa paglipas ng panahon, habang sa Teorya ng Estado ng Mundo-Estado, ang patuloy na paggawa ng bagay ay nagsisiguro na ang density ay nananatiling patuloy sa paglipas ng panahon. Credit ng larawan: E. Siegel.

Ang isa sa mga pangunahing problema sa scheme ng Matibay na Estado ng Hoyle, na binuo kasama sina Thomas Gold at Herman Bondi, ay nagpapaliwanag kung paano ang malamig, elementong mga partikulo ng unti-unting paglubog sa kalawakan ay maaaring magpasok sa mas mataas na mga elemento. Sa domain na iyon, ang teorya ng Big Bang, sa una, ay inaangkin na mayroong lahat ng mga sagot. Si George Gamow, kasama ang kanyang mag-aaral na si Ralph Alpher, ay ipinagpaliwanag na ipaliwanag ang kabuuan ng paglikha ng elemento sa pamamagitan ng Big Bang nucleosintesis. Iyon ay, pinagtalo nila na ang nagniningas na kaldero ng Big Bang ay nagtamo ng lahat ng mga natural na elemento ng kemikal, mula sa hydrogen hanggang sa uranium, sa labas ng mas simpleng proton at neutron na mga bloke ng gusali. Inilathala nila ang kanilang gawain sa isang pangunahing papel na "Pinagmulan ng Mga Elementong Chemical," na lumitaw noong Abril 1948.

Si George Gamow, nakatayo (may pipe) sa kanan, sa Bragg Laboratory noong 1930/1931. Credit ng larawan: Serge Lachinov.

Si Gamow ay may kamangha-manghang katatawanan at mahilig maglaro ng mga praktikal na biro. Napansin na ang pangalan ni Alpher at ang kanyang kahawig ng una at pangatlong titik ng alpabetong Greek, alpha at gamma, nang isinumite niya ang papel, nagpasya siyang magdagdag ng pangalan ng pisika na si Hans Bethe, na parang tunog, bilang pangalawang may-akda. Halos wala namang kinalaman si Bethe sa papel. Gayunpaman, siya ay isang dalubhasa sa nucleosynthesis, kaya ang ideya ay hindi kasing baliw sa tunog. Samakatuwid ang seminal na artikulo ay kilala sa buong mundo bilang alpha-beta-gamma paper. (Nang sumali ang isa pang estudyante ng nagtapos na si Robert Herman sa koponan, si Gamow ay nagbibiro nang iminungkahi na baguhin niya ang kanyang pangalan sa "Masarap," upang magkasya lamang.)

Ang kilalang papel na Alpher-Bethe-Gamow noong 1948, na detalyado ang ilan sa mga pinong punto ng Big Bang Nucleosynthesis. Ang mga elemento ng ilaw ay hinulaang nang tama; ang mabibigat na mga elemento ay hindi. Credit ng larawan: Repasuhin sa Katawang (1948).

Ipinagmamalaki ng kanyang matalinong wordplay pati na rin ang kanyang ideya sa nobela, si Gamow ay nagpadala ng isang kopya ng papel sa kanyang kaibigan na Sweden pisika na si Oskar Klein, na nagpapayo sa kanya ng kahalagahan nito. "Tila na ang artikulong 'alpabetong' na ito ay maaaring kumatawan sa alpha sa omega ng elemento ng paggawa," isinulat ni Gamow. "Paano mo ito gusto?" Pagkatapos ay tumugon si Klein:

"Maraming salamat sa pagpapadala sa akin ng iyong kaakit-akit na alpabetikong papel. Papayagan mo ba ako, gayunpaman, na magkaroon ng ilang pag-aalinlangan tungkol sa kinatawan nito 'ang alpha sa omega ng elemento ng paggawa.' Bilang napupunta sa gamma, sumasang-ayon ako ng kurso nang buo sa iyo at na ang maliwanag na simula na ito ay mukhang talagang nangangako, ngunit sa karagdagang pag-unlad ay nakikita ko ang mga paghihirap. "

Sa katunayan, ang tugon ni Klein ay angkop. Ang papel na alpha-beta-gamma ay literal na maipaliwanag lamang ang unang tatlong elemento: hydrogen, helium, at (sa isang limitadong lawak) lithium. Ang mga ito ay maaaring binuo ng hakbang-hakbang, tulad ng mga rungs ng isang hagdan, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang proton, neutron, o deuteron (proton-neutron na kumbinasyon) upang tumaas sa susunod na isotopon. Higit pa sa paggawa ng lithium mayroong isang nakamamatay na problema: walang matatag na isotopes ng atomic mass (kabuuan ng mga proton kasama ang mga neutron) lima o walo!

  • Ang pagdaragdag ng alinman sa isang proton o neutron sa helium-4, upang lumikha ng alinman sa helium-5 o lithium-5, ay magiging sanhi ng alinman sa pagkabulok ng mas mababa sa 1021 segundo.
  • Ang pagdaragdag ng dalawang helium-4 na nuclei nang magkasama, upang lumikha ng beryllium-8, ay nagreresulta sa isang pagkabulok sa ilalim lamang ng mga 10-16second.

Nang walang isang mahusay na hakbang sa pamamagitan ng masa lima o walong, tila walang magandang paraan upang umunlad pa. Halimbawa, walang paraan, ang karbon ay maaaring tipunin, lalo na sa limitadong oras ang uniberso ay pinakamainit. Kapag naisip mo ang tungkol sa mas mataas, mas mabibigat na mga elemento, ang problema ay lalo lamang lumakas. Ang hagdan ng Big Bang nucleosintesis ay sa gayon nawawala ang mga key rungs na napapahamak dito bilang isang kumpletong paglalarawan ng buong pana-panahong talahanayan.

Ang hinulaang kasaganaan ng helium-4, deuterium, helium-3 at lithium-7 tulad ng hinulaang ng Big Bang Nucleosynthesis, na may mga obserbasyon na ipinapakita sa mga pulang bilog. Bagaman ang ilang mga elemento ay binuo ng Big Bang, karamihan sa mga pana-panahong talahanayan ay hindi. Credit ng larawan: koponan ng agham ng NASA / WMAP.

Samantala, pansamantala, inilalabas ni Hoyle ang kanyang sariling hypothesis na ang lahat ng mga mas mataas na elemento na lampas sa helium ay ginawa sa mga pulang higanteng bituin. Sa paglipas ng isang dekada, mula sa kalagitnaan ng 1940s hanggang sa kalagitnaan ng 1950s, sinimulan niyang isaalang-alang ang iba't ibang mga uri ng mga proseso ng nukleyar na maaaring makapagtayo ng mas mataas na mga elemento, tulad ng carbon, nitrogen, at oxygen sa mga nagniningas na mga stellar cores. Ito ay mangangailangan ng napakaraming mataas na temperatura na matagal ng mahabang panahon.

Sa Caltech, CC (Charles Christian) si Lauritsen, isang Danish na nukleyikong pisiko, ay nagtatag ng isang malakas na sentro ng istruktura ng nuklear na tinatawag na WK Kellogg Radiation Laboratory. Kasama sa mga mananaliksik doon noong 1950s ang graduate student ni Lauritsen na si William Fowler, at ang anak ni Lauritsen na si Thomas, isang nagawa na pisika sa kanyang sariling karapatan. Ang lab ay naging nakikilala para sa paggamit ng mga pampapabilis ng butil upang mapabilis at mapabilis ang mga partikulo patungo sa mga target na nuklear, na nagdulot sa ilang mga kaso ng mga transmutasyon.

Si Willie Fowler sa WK Kellogg Radiation Laboratory sa Caltech, na kinumpirma ang pagkakaroon ng Hoyle State at ang proseso ng triple-alpha. Credit ng larawan: Caltech Archives.

Sa pamamagitan ng kakayahan ng Kellogg Lab, inayos ni Hoyle ang maraming mahabang pagbisita sa Caltech, simula noong 1953. Pagdating sa lab ay agad niyang hinamon ang mga mananaliksik na siyasatin ang kanyang hypothesis ng isang mahabang buhay na nasasabik na estado ng carbon-12 na kumilos bilang isang mahalagang hakbang sa stellar nucleosynthesis. Si Fowler, ang dalawang Lauristens, at isa pang pisisista na nagngangalang CW Cook ay nagtakda upang hanapin ang nasabing estado at pinamamahalaan nang maikli upang makagawa ito. Sinimulan iyon ng isang lubos na kapaki-pakinabang na pakikipagtulungan sa pagitan ng Hoyle, Fowler, at iba pa. Agad na sila ay sumali sa pamamagitan ng asawa at asawa ng koponan ng mga astronomo ng British na si E. Margaret at Geoffrey Burbidge, na nakatrabaho ni Hoyle sa Cambridge.

Si Margaret at Geoffrey Burbidge, mga payunir sa larangan ng stellar nucleosintesis. Credit ng larawan: Caltech Archives.

Noong Disyembre 30, 1956, ang gawaing paghahatid ng elemento sa Kellogg, na kinasasangkutan ng pagbobomba ng carbon na may mga deuteron, ay itinampok sa New York Times bilang katibayan para sa teorya ng Estado ng Salungat na taliwas sa Big Bang. Ang pagtukoy sa isang talumpati na inihatid ni Thomas Lauritsen sa taunang pagpupulong ng American Physical Society sa taon na iyon, binasa ang pamagat na ito, "Ang Physicist ay Gumagawa Helium ng Carbon; Ang Transmutation ay Hailed bilang Tumutulong upang Ipaliwanag ang Pinagmulan ng Uniberso; Teorya ng 'Big Bang'.

Ang mga headlines na nagpapahayag ng tagumpay ng stellar nucleosynthesis ... at ang pagtaas ng mga hula ng alpha-beta-gamma ng mga mas mabibigat na elemento. Credit ng larawan: New York Times.

Mas mababa sa isang taon mamaya, noong Oktubre 1, 1957, ang dalawang Burbidges, Fowler, at Hoyle (B²FH) ay inilathala sa Mga Review ng Modern Physics ang papel na seminar na "Synthesis of the Element in Stars." Ang pagguhit sa teoretikal na kadalubhasaan ng Hoyle, ang kaalaman sa pag-obserba ng Burbidges, at pang-eksperimentong katalinuhan ni Fowler (na kinuha niya sa bahagi mula kay CC Lauritsen), ang papel ay isang napakatalino na paglalantad ng kung paano nabuo ang mga elemento, na naghahati sa mga iba't ibang proseso. nagsisimula sa hydrogen nasusunog at pagsunog ng helium, at nagpapatuloy sa tinatawag na "s" (mabagal na pagkuha ng neutron), "r" (mabilis na pagkuha ng neutron) at "p" (proton capture) na mga proseso na kinasasangkutan ng mas mataas na mga elemento.

Ang mga paraan upang makabuo ng mga elemento - matatag at hindi matatag - mula sa nucleosynthesis sa mga bituin. Credit ng larawan: Woosley, Arnett at Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Ipinakita nila kung paano ang mga nag-iisang bituin na sapat na napakalaking, tulad ng Red Giants at Supergiants, ay makahanap ito ng masiglang magagawa upang lumikha ng lahat ng mga elemento hanggang sa bakal sa kanilang mga cores. Ang mga mas mataas na elemento ay maaaring magawa sa matinding mga kondisyon ng pagsabog ng supernova, kung saan ang buong gamut ng mga elemento ay ilalabas sa kalawakan.

Ang nalalabi sa supernova ay hindi lamang nagpapatalsik ng mga mabibigat na elemento na nilikha sa pagsabog pabalik sa Uniberso, ngunit ang pagkakaroon ng mga elementong ito ay maaaring makita mula sa Earth. Credit ng larawan: NASA / Chandra X-ray Observatory.

Ang pangunahing limitasyon ng kung hindi man natitirang artikulo ay ang pagkabigo nitong hulaan ang napakalaking dami ng helium sa kalawakan. Bagaman ang lahat ng mga bituin ay nagsasanib ng hydrogen sa helium, gagawa lamang sila ng isang Uniberso na, sa pamamagitan ng masa, mas mababa sa 5% helium ngayon. Gayunpaman napapansin natin ang isang Uniberso kung saan higit sa 25% ng masa nito ang helium. Upang makabuo ng porsyento na iyon, ang mainit na Big Bang ay kinakailangan. Ang malapit na tugma ng Big Bang na hula sa aktwal na ratio ng hydrogen-to-helium, pati na rin ang natuklasan ng 1965 nina Arno Penzias at Robert Wilson ng cosmic background radiation, ang pinalamig na "silo" ng radiation mula sa unang bahagi ng uniberso, na semento sa mainstream suporta ng mga astronomo ng Big Bang sa matatag na Estado.

Noong kalagitnaan ng 1960, ibinaba ni Hoyle at ang Burbidges ang orihinal na teorya ng Estado ng Estado, ngunit kasama ang mag-aaral ng Hoyle na si Jayant Narlikar ay bumuo ng isang kahalili sa "maliit na bangs" na tinatawag na quasi-steady state. Hanggang sa kanyang kamatayan noong 2001, patuloy na niyakap ni Hoyle ang teoryang iyon. Habang nanalo si Fowler ng Nobel Prize para sa kanyang nuclear research sa pangkalahatan, katwiran na si Hoyle at ang Burbidges ay tumanggap ng kaunting kredito para sa kanilang mga kontribusyon sa seminal.

Noong 2007, kasama ang Virginia Trimble, tumulong ako sa pag-ayos ng isang sesyon sa isang pagpupulong ng American Physical Society bilang paggalang sa ika-50 anibersaryo ng papel na B²FH. Si Geoffrey Burbidge, pagkatapos noon ay hindi magandang kalusugan, tinulungan ng isang nars, at nakakulong sa isang wheelchair, dumalo at nagbigay ng isang pahayag. Ang kanyang espiritu at tinig ay kasing lakas ng dati. Naaalala ko siya na pinag-uusapan ang tungkol sa mga Big Bang na tulad ng walang kamalayan na mga limon na sumusunod sa kanilang pinuno sa isang bangin. Namatay siya ng mas mababa sa tatlong taon mamaya.

Ngayon si Margaret Burbidge, sa edad na 97, ay ang tanging may-akda ng papel na buhay pa rin, bilang paggunita natin sa ika-60 anibersaryo. Itaas natin ang isang toast kay Prof Burbidge at ang kanyang mga huling kasamahan, sa pagdiriwang ng sandali na napagtanto ng tao na gawa ito ng mga bagay na bituin!

Ang Starts With A Bang ay nakabase sa Forbes, na-publish sa Medium salamat sa aming mga tagasuporta ng Patreon. Ang unang aklat ni Order Ethan, Beyond The Galaxy, at pre-order ang kanyang susunod, Treknology: Ang Science of Star Trek mula sa Tricorder hanggang Warp Drive!