Solens lys skyldes kernefusion, som primært omdanner brint til helium. Dog kan stjerner gennemgå yderligere processer og skabe langt tungere elementer end det. Billedkredit: NASA / SDO.

60 års starstuff

Hvordan menneskeheden opdagede, hvor vores elementer kommer fra.

Denne artikel er skrevet af fysiker Paul Halpern fra University of the Sciences i Pennsylvania. Paul er forfatter af den nye bog The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman and John Wheeler Revolutionised Time and Reality.

”Du kunne ikke være her, hvis stjerner ikke var eksploderet, fordi elementerne - kulstof, nitrogen, ilt, jern, alle de ting, der betyder noget for evolution og liv - ikke var skabt i begyndelsen af ​​tiden. De blev skabt i stjernernes atomovne, og den eneste måde for dem at komme ind i din krop er, hvis disse stjerner var venlige nok til at eksplodere… ”-Lawrence Krauss

I videnskab behøver du ikke at få alt i orden for at få de mest utrolige ting korrekt. Undertiden fremkommer gode ideer fra et mislykket paradigme. Et fremragende eksempel på begge er det banebrydende stjernernes nukleosyntesepapir (oprettelse af komplekse kerner fra enklere) papir, der blev offentliggjort i 1957, kendt ganske enkelt som B2FH, efter initialerne fra de fire forfattere. For første gang tilbød det en vellykket model til elementdannelse. Det var designet til at undgå behovet for et Big Bang og understøtte en alternativ forklaring kaldet Steady State teori. Mens Steady State-teorien i dag er en relikvie fra fortiden, komplementerer stjernernes nukleosynteser Big Bang-teorien i en vellykket, omfattende forklaring af, hvordan alle elementerne i universet blev bygget af elementære partikler.

Det er en underlig kendsgerning i historien, at første gang en astronom brugte udtrykket ”Big Bang” til at beskrive universets tidlige stadier, mente han det spottende. Cambridge-forsker Fred Hoyle (“H” i hovedpapiret), der opfandt udtrykket i et BBC-radiointerview fra 1948, mente, at ideen om alt det materie i universet straks dukkede op, ligesom det pludselige udbrud af en kolossal kosmisk piñata, at være tålmodig latterlig.

Fred Hoyle var en regelmæssig på BBC-radioprogrammer i 1940'erne og 1950'erne og en af ​​de mest indflydelsesrige figurer inden for stjernernes nukleosynteser. Billedkredit: British Broadcasting Company.

Mens han troede på et ekspanderende kosmos, troede han, at det ville vare evigt i en stabil tilstand med næsten ensartethed, med et langsomt strejf af frisk stof, der fyldte hullerne - svarende til en skrædder, der tilføjede nye knapper til en dragt, der blev ændret til et voksende barn.

I Big Bang får det ekspanderende univers til, at materien fortyndes over tid, mens i Steady-State Theory sikrer fortsat oprettelse af materie, at densiteten forbliver konstant over tid. Billedkredit: E. Siegel.

Et af de største problemer med Hoyles Steady State-skema, der blev udviklet sammen med Thomas Gold og Herman Bondi, var at forklare, hvordan de kolde, elementære partikler, der gradvis siver ud i rummet, kunne transmittere til højere elementer. På dette område hævdede Big Bang-teorien til at begynde med at have alle svarene. George Gamow sammen med sin studerende Ralph Alpher påstod at forklare helheden af ​​elementskabelse gennem Big Bang-nukleosyntesen. Det vil sige, de argumenterede for, at den brændende kedel ved Big Bang smedede alle de naturlige kemiske elementer, fra brint op gennem uran, ud af den enklere proton og neutron-byggesten. De offentliggjorde deres arbejde i et nøgledokument "Origin of the Chemical Elements", der kom ud i april 1948.

George Gamow, stående (med rør) til højre i Bragg-laboratoriet i 1930/1931. Billedkredit: Serge Lachinov.

Gamow havde en vidunderlig sans for humor og elskede at spille praktiske vittigheder. Han bemærkede, at Alphers navn og hans lignede de første og tredje bogstaver i det græske alfabet, alfa og gamma, da han indsendte papiret, besluttede han at tilføje fysiker Hans Bethe navn, der lød som beta, som den anden forfatter. Bethe havde næsten intet med papiret at gøre. Han var imidlertid ekspert i nukleosyntesen, så ideen var ikke så skør, som den lød. Derfor er seminalartiklen universelt kendt som alpha-beta-gamma-papir. (Da en anden kandidatstuderende Robert Herman kom med i teamet, foreslog Gamow spøgtigt, at han skiftede navn til “Delter”, bare for at passe ind.)

Det berømte Alpher-Bethe-Gamow-papir fra 1948, der detaljerede nogle af de finere punkter i Big Bang Nucleosynthesis. De lette elementer blev forudsagt korrekt; de tunge elementer var det ikke. Billedkredit: Fysisk gennemgang (1948).

Stolt af sit smarte ordspil såvel som sin nye idé sendte Gamow en kopi af papiret til sin ven, den svenske fysiker Oskar Klein, hvor han rådede ham om dets betydning. "Det ser ud til, at denne 'alfabetiske' artikel kan repræsentere alfa til omega af elementproduktionen," skrev Gamow. "Hvordan kan du lide det?" Klein svarede derefter:

”Mange tak for at have sendt mig dit charmerende alfabetiske papir. Vil du dog give mig nogen tvivl om, at det repræsenterer 'alfa til omega af elementproduktionen.' For så vidt angår gamma, er jeg selvfølgelig helt enig med dig, og at denne lyse begivenhed ser faktisk mest lovende ud, men hvad angår den videre udvikling ser jeg vanskeligheder. ”

Faktisk var Kleins svar passende. Alfa-beta-gammapapiret kunne bogstaveligt talt kun forklare de tre første elementer: brint, helium og (i begrænset omfang) lithium. Disse kunne opbygges trin for trin, ligesom en stiger, ved at tilføje en proton, neutron eller deuteron (proton-neutronkombination) for at stige til den næste isotop. Ud over litiumproduktionen var der et fatalt problem: der var ingen stabile isotoper med atommasse (summen af ​​protoner plus neutroner) fem eller otte!

  • At tilføje enten en proton eller neutron til helium-4 for at skabe enten helium-5 eller lithium-5 ville forårsage, at en af ​​dem henfalder på mindre end 10-21 sekunder.
  • At tilføje to helium-4 kerner sammen for at skabe beryllium-8 resulterer i et forfald på lige under 10–16 sekunder.

Uden et godt trin gennem masse fem eller otte så det ud til, at der ikke var nogen god måde at komme videre på. Der var ingen måde, for eksempel kunne kulstof samles, især i den begrænsede tid universet var på det varmeste. Når du tænkte på endnu højere, tungere elementer, blev problemet kun sværere. Big Bang-nukleosyntesestigen manglede derved nøglestyrke, der var dømt til at være en komplet beskrivelse af hele det periodiske system.

De forudsagte forekomster af helium-4, deuterium, helium-3 og lithium-7 som forudsagt af Big Bang Nucleosynthesis med observationer vist i de røde cirkler. Selvom nogle elementer er opbygget af Big Bang, er det meste af det periodiske system ikke. Billedkredit: NASA / WMAP videnskabsteam.

Hoyle fremlagde i mellemtiden sin egen hypotese om, at alle de højere elementer ud over helium blev produceret i røde kæmpe stjerner. I løbet af et årti, fra midten af ​​1940'erne til midten af ​​1950'erne, begyndte han at overveje forskellige typer af nukleare processer, der kunne opbygge de højere elementer, såsom kulstof, nitrogen og ilt i fyrige stjernekerner. Disse kræver ekstremt høje temperaturer, der er opretholdt i lange perioder.

Hos Caltech havde CC (Charles Christian) Lauritsen, en dansk nuklearfysiker, oprettet et magtfuldt kernekonstruktionscenter kaldet WK Kellogg Strålingslaboratorium. Forskere der i 1950'erne omfattede Lauritsens kandidatstuderende William Fowler og Lauritsens søn Thomas, en dygtig fysiker i sin egen ret. Laboratoriet blev kendetegnet ved brug af partikelacceleratorer til at fremskynde og kaste partikler mod nukleare mål, hvilket i nogle tilfælde forårsager transmutationer.

Willie Fowler i WK Kellogg Strålingslaboratorium i Caltech, som bekræftede eksistensen af ​​Hoyle-staten og triple-alpha-processen. Billedkredit: Caltech Archives.

Tegnet af Kellogg Labs kapacitet arrangerede Hoyle adskillige lange besøg i Caltech, begyndende i 1953. Da han ankom til laboratoriet, udfordrede han straks forskerne til at undersøge hans hypotese om en langvarig ophidset tilstand af kulstof-12, der fungerede som et vigtigt trin i stjernernes nukleosyntese. Fowler, de to Lauristens og en anden fysiker ved navn CW Cook forsøgte at finde denne tilstand og lykkedes meget snart at fremstille den. Det begyndte et meget lukrativt samarbejde mellem Hoyle, Fowler og andre. De blev snart sammen med hustru- og mandteamet af de britiske astronomer E. Margaret og Geoffrey Burbidge, som havde arbejdet med Hoyle på Cambridge.

Margaret og Geoffrey Burbidge, pionerer inden for stjernernes nukleosyntese. Billedkredit: Caltech Archives.

Den 30. december 1956 blev elementtransmutationsarbejdet på Kellogg, der involverede bombardering af kulstof med deuteroner, fremhævet i New York Times som bevis for Steady State-teorien i modsætning til Big Bang. Under henvisning til et foredrag holdt af Thomas Lauritsen på American Physical Society's årlige møde det år, læste overskriften: ”Fysiker gør Helium of Carbon; Transmutation hyldes som hjælp til at forklare universets oprindelse; 'Big Bang' teori hit. ”

Overskrifterne, der meddeler succes med stjernernes nukleosynteser ... og stigningen i alfa-beta-gamma forudsigelser af tungere elementer. Billedkredit: New York Times.

Mindre end et år senere, den 1. oktober 1957, offentliggjorde de to Burbidges, Fowler og Hoyle (B²FH) i Reviews of Modern Physics seminaropgaven "Synthesis of the Elements in Stars." På baggrund af Hoyle's teoretiske ekspertise, Burbidges 'observationsviden og Fowlers eksperimentelle dygtighed (som han delvist hentede fra CC Lauritsen), var papiret en strålende redegørelse for, hvordan elementerne blev opbygget, idet de delte disse op i forskellige processer, starter med brintforbrænding og heliumforbrænding og fortsætter til de såkaldte “s” (langsom neutronfangst), “r” (hurtig neutronfangst) og “p” (protonfangst) -processer, der involverer højere elementer.

Måderne til at opbygge elementer - stabile og ustabile - fra nukleosyntesen i stjerner. Billedkredit: Woosley, Arnett og Clayton (1974), Astrophysical Journal.

De viste, hvordan aldrende stjerner, der var massive nok, såsom Røde Giganter og Supergiganter, kunne finde det energisk muligt at skabe alle elementerne op til jern i deres kerner. De endnu højere elementer kunne produceres under de ekstreme forhold i en supernovaeksplosion, hvorpå det fulde udvalg af elementer ville blive frigivet i rummet.

En supernova-rest uddriver ikke kun tunge elementer skabt i eksplosionen tilbage i universet, men tilstedeværelsen af ​​disse elementer kan detekteres fra Jorden. Billedkredit: NASA / Chandra røntgenobservatorium.

Den største begrænsning af den ellers udestående artikel var dens manglende forudsigelse af den enorme mængde helium i rummet. Selvom alle stjerner smelter brint sammen med helium, ville de kun skabe et univers, der i masse var mindre end 5% helium i dag. Alligevel observerer vi et univers, hvor mere end 25% af dens masse er helium. For at producere denne procentdel viste det sig, at den varme Big Bang var nødvendig. Big Bangs nære match forudsiger det faktiske hydrogen-helium-forhold, samt opdagelsen fra Arno Penzias og Robert Wilson fra 1965 om den kosmiske baggrundsstråling, den afkølede "sus" af stråling fra det tidlige univers, cementeret mainstream astronomers støtte af Big Bang over Steady State.

I midten af ​​1960'erne faldt Hoyle og Burbidges den originale Steady State-teori, men sammen med Hoyles studerende Jayant Narlikar udviklede et alternativ med "små smell" kaldet den kvasi-stabile tilstand. Indtil hans død i 2001 fortsatte Hoyle med at omfavne denne teori. Mens Fowler vandt Nobelprisen for sin nukleare forskning generelt, fik Hoyle og Burbidges uden tvivl relativt lidt æren for deres sædvanlige bidrag.

I 2007 hjalp jeg sammen med Virginia Trimble med at arrangere en session på et American Physical Society-møde til ære for 50-årsdagen for B²FH-papiret. Geoffrey Burbidge var da ved dårligt helbred, hjulpet af en sygeplejerske og indesluttet i en kørestol, deltog og holdt et foredrag. Hans ånd og stemme var dog så stærk som nogensinde. Jeg kan huske, at han talte om, at Big Bang-folket var som tankeløse lemminger, der fulgte deres leder over en klippe. Han døde mindre end tre år senere.

I dag er Margaret Burbidge, i en alder af 97, den eneste forfatter til papiret, der stadig lever, da vi mindes om dets 60-års jubilæum. Lad os hæve en skål til prof. Burbidge og hendes afdøde kolleger til fejring af det øjeblik, som menneskeheden indså, at det er lavet af stjernestoffer!

Starts With A Bang er baseret på Forbes, genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Bestil Ethans første bog, Beyond The Galaxy, og bestil sin næste, Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive!