Күн сәулесі ядролық синтезге байланысты, ол негізінен сутекті гелийге айналдырады. Алайда, жұлдыздар одан да ауыр элементтерді құра отырып, одан әрі процестерге ұшырауы мүмкін. Кескін несиесі: NASA / SDO.

Жұлдыздарға 60 жыл

Адамдар біздің элементтеріміздің қайдан пайда болғанын қалай анықтады.

Бұл мақаланы Пенсильваниядағы ғылым университетінің физигі Пол Халперн жазған. Пол - жаңа Quantum Labyrinth кітабының авторы: Ричард Фейнман мен Джон Уилер уақыт пен шындықты қалай өзгертті.

«Егер жұлдыздар жарылмаса, сіз бұл жерде бола алмадыңыз, өйткені элементтер - көміртек, азот, оттегі, темір, эволюция мен тіршілік үшін маңызды барлық заттар уақыттың басында пайда болған жоқ. Олар жұлдыздардың ядролық пештерінде құрылды және сіздің денеңізге кірудің жалғыз жолы - егер бұл жұлдыздар жарылып кетсе жеткілікті ... »- Лавренс Краус

Ғылымда ең керемет нәрсені түзету үшін бәрін дұрыс жасаудың қажеті жоқ. Кейде жақсы идеялар сәтсіз парадигмадан шығады. Екеуі үшін керемет мысал - төрт автордың аты-жөнінен кейін B2FH деп аталатын 1957 жылы жарық көрген жұлдызды нуклеосинтездік қағаз (қарапайым ядролардан күрделі ядроларды құру). Алғаш рет ол элементтерді құрудың сәтті моделін ұсынды. Ол Үлкен Жарылыстың қажеттілігін болдырмауға және Тұрақты Мемлекет теориясы деп аталатын балама түсіндірмені қолдауға арналған. Бүгінгі таңда «Тұрақты күй» теориясы өткеннің жәдігері болғанмен, жұлдызды нуклеосинтез Үлкен жарылыс теориясын ғаламдағы барлық элементтердің қарапайым бөлшектерден қалай құрылғаны туралы сәтті, жан-жақты түсіндіруде толықтырады.

Астроном алғаш рет «Үлкен жарылыс» дегенді Ғаламның алғашқы сатыларын суреттеу үшін қолданған, тарихтың қызықты фактісі. Кембридж зерттеушісі Фред Хойл (негізгі қағаздағы «Н») 1948 жылы BBC радиосына берген сұхбатында ғаламдық барлық заттардың бірден пайда болуы туралы идеясы орасан зор ғарыштық пиаратаның кенеттен жарылуы сияқты ойлады, әшкере болу.

Фред Хойл 1940-1950 жылдары Би-би-си радиосында үнемі хабардар болған және жұлдызды нуклеосинтез саласындағы беделді тұлғалардың бірі болған. Кескін несиесі: Британдық хабар тарату компаниясы.

Ол кеңейіп жатқан ғарышқа сенген кезде, ол орнықты күйде мәңгілікке қалады деп ойлады, ол жай заттың ақырын босатып, бос жерлерді толтырды - өсіп келе жатқан балаға арналған костюмге жаңа түймелер қосатын тігіншіге ұқсас.

Үлкен жарылыста, кеңейіп жатқан Әлем уақыт өте келе материяның сұйылуын тудырады, ал тұрақты күй теориясында материяның жалғасуы уақыт өте келе тығыздықтың сақталуын қамтамасыз етеді. Суреттің кредиті: Э. Зигель.

Томас Голд және Герман Бондимен бірлесіп жасалған Хойлдың «Тұрақты күй» сызбасындағы негізгі мәселелердің бірі кеңістікке біртіндеп енетін суық, элементар бөлшектердің жоғарырақ элементтерге ауыса алатындығын түсіндірді. Бұл салада Биг Бенг теориясы бастапқыда барлық жауаптарға ие болды. Джордж Гамов, өзінің шәкірті Ральф Альфермен бірге Big Bang нуклеосинтезі арқылы элементтерді құру туралы толығымен түсіндіруді талап етті. Яғни, олар Үлкен Жарылыстың отты газы сутегіден уранға дейінгі, қарапайым протон мен нейтроннан тұратын барлық табиғи химиялық элементтерді жасады деп дәлелдейді. Олар өз жұмыстарын 1948 жылдың сәуірінде шыққан «Химиялық элементтердің шығу тегі» атты негізгі қағазда жариялады.

Джордж Гамов, оң жақта (құбырмен), Брагг зертханасында 1930/1931 жж. Сурет кредиті: Серге Лачинов.

Гамов тамаша әзіл-оспақ сезінді және практикалық әзіл ойнағанды ​​жақсы көрді. Алфердің есімі мен оның грек алфавитінің бірінші және үшінші әріптеріне, альфа мен гаммаға ұқсайтынын байқаған ол қағазды ұсынған кезде екінші автор ретінде бета сияқты естілген физик Ханс Бетханың есімін қосуды ұйғарды. Бетенің қағазға ешқандай қатысы жоқ еді. Алайда ол нуклеосинтез саласының маманы болғандықтан идея ойдан шығарылған сияқты емес еді. Демек, семиналық мақала жалпыға белгілі альфа-бета-гамма қағазы. (Командаға басқа бір аспирант Роберт Херман қосылғанда, Гамов әзілдеп, өзінің атын «Дельтер» деп өзгертуге кеңес берді.)

Үлкен жарылыс нуклеосинтезінің кейбір ұсақ-түйектерін егжей-тегжейлі сипаттаған 1948 жылғы әйгілі Алфер-Бет-Гамов. Жарық элементтері дұрыс болжалды; ауыр элементтер болмады. Сурет кредиті: Физикалық шолу (1948).

Ақылды сөзімен, сондай-ақ өзінің жаңа идеяларымен мақтана отырып, Гамов қағаздың көшірмесін досы швед физигі Оскар Клейнге жіберіп, оның маңыздылығын ескертті. «Бұл« алфавиттік »мақала элемент өндірісінің омега альфасын білдіруі мүмкін сияқты», - деп жазды Гамов. «Сізге қалай ұнады?» Клейн жауап берді:

«Маған өзіңіздің сүйікті алфавиттік қағазыңызды жібергеніңіз үшін үлкен рахмет. Сіз маған «элемент өндірісінің альфа-омегасына» қатысты күмәндануға мүмкіндік бересіз бе? Гамма туралы айтатын болсақ, мен әрине сізбен толық келісемін және бұл жарқын бастама өте перспективалы болып көрінетініне сенімдімін, бірақ одан әрі даму үшін мен қиындықтарды көремін ».

Шынында, Клейннің жауабы орынды болды. Альфа-бета-гамма қағазы тек алғашқы үш элементті түсіндіре алды: сутегі, гелий және литий. Оларды сатының шеңберлері сияқты кезең-кезеңмен келесі изотопқа көтерілу үшін протон, нейтрон немесе дейтерон (протон-нейтронның қосындысы) қосу арқылы құруға болады. Литий өндірісінің сыртында өте қиын мәселе болды: бес-сегіз атомдық массаның (протондар мен нейтрондардың қосындылары) тұрақты изотоптары жоқ!

  • Гелий-5 не литий-5 түзу үшін протонды немесе нейтронды гелий-4-ке қосу 10 немесе 21 секундтан аз уақыттың ішінде ыдырауға әкелуі мүмкін.
  • Бериллий-8 құру үшін екі гелий-4 ядросын қосып, 10-16 секунд ішінде ыдырауға әкеледі.

Жаппай бес-сегіз қадаммен жақсы қадам жасамай, алға жылжудың жақсы жолы болмайтын сияқты. Мысалы, көміртекті жинау мүмкін болмады, әсіресе ғалам ең ыстық уақытта болатын. Одан да жоғары, ауыр элементтер туралы ойлағанда, мәселе одан сайын күшейе түсті. Үлкен жарылыстың нуклеосинтезінің баспалдағында барлық кезең кестесінің толық сипаттамасы ретінде жойылатын негізгі тізбектер жоқ болды.

Үлкен жарылыс нуклеосинтезінде алдын-ала айтылғандай, гелий-4, дейтерий, гелий-3 және литий-7 мөлшерінің болжамды көптігі, қызыл шеңберлерде көрсетілген бақылаулар. Кейбір элементтер Үлкен жарылыстың көмегімен жасалынғанмен, мерзімді кестенің көбі олай емес. Кескін несиесі: NASA / WMAP ғылыми тобы.

Сонымен бірге, Хойл өзінің гипотезасын келтіріп, гелийден жоғары барлық элементтер қызыл алып жұлдыздарда пайда болды. Онжылдықтың ішінде, 1940 жылдардың ортасынан 1950 жылдардың ортасына дейін ол отты жұлдыздардағы көміртек, азот және оттегі сияқты жоғары элементтерді құра алатын әртүрлі ядролық процестерді қарастыра бастады. Бұған ұзақ уақыт сақталатын өте жоғары температура қажет.

Калтехте CC (Чарльз Кристиан), Дат ядролық физигі Лорицен WK Kellogg радиациялық зертханасы деп аталатын қуатты ядролық құрылым орталығын құрды. 1950 жылдардағы зерттеушілердің қатарына Лауритсеннің аспиранты Уильям Фоулер және Лауриценнің ұлы Томас, өз ісін жетік меңгерген физик кірді. Лаборатория бөлшектердің үдеткіштерін жылдамдық пен ядролық нысанаға бағыттау үшін қолдану арқылы ерекшеленді, бұл кейбір жағдайларда трансмутацияларды тудырады.

Вилли Фоулер Калтехтегі БК Келлог радиациялық зертханасында, ол Хойл мемлекеті мен үштік альфа процесінің бар екендігін растады. Сурет кредиті: Caltech Archives.

Келлогг зертханасының мүмкіндігімен алынған 1955 жылы Хойл Калтехке көптеген сапарларды ұйымдастырды. Зертханаға келген соң ол бірден зерттеушілерді көміртек-12 ұзақ қозған күйі туралы гипотезасын зерттеуге шақырды. жұлдызды нуклеосинтездегі маңызды қадам. Фоулер, екі Лауристенс және тағы бір физик С.В. Кук бұл күйді табуға көшті және оны тез арада жасауға мүмкіндік туды. Бұл Хойл, Фоулер және басқалар арасында өте тиімді ынтымақтастық бастады. Олар көп ұзамай Кембриджде Хойльмен бірге жұмыс істеген британдық астрономдар Э. Маргарет пен Джеффри Бербидждің әйелі мен күйеуінің құрамына қосылды.

Маргарет пен Джеффри Бербидж, жұлдызды нуклеосинтез саласындағы ізашарлар. Сурет кредиті: Caltech Archives.

1956 жылы 30 желтоқсанда Келлоггтағы элемент трансмутациялық жұмысы Ньютер-Йорк Таймс газетінде Үлкен жарылысқа қарсы «Тұрақты мемлекет» теориясының дәлелі ретінде көрсетілді. Сол жылы американдық физикалық қоғамның жыл сайынғы жиналысында Томас Лауритсеннің баяндамасына сілтеме жасай отырып, оның тақырыбы «Физик көміртегі гелиін жасайды; Трансформация Әлемнің пайда болуын түсіндіруге көмектеседі; «Үлкен жарылыс» теориясы. «

Жұлдызды нуклеосинтездің сәттілігі және ауыр элементтердің альфа-бета-гамма болжамдары туралы хабарландыру. Кескін несиесі: New York Times.

Бір жылдан аз уақыт өткен соң, 1957 жылы 1 қазанда екі Бурбидж, Фоулер және Хойль (B²FH) қазіргі физика шолуларында «Жұлдыздардағы элементтер синтезі» семинарлық мақаласын жариялады. Хойлдың теориялық сараптамасына, Бурбиджтердің байқау ноу-хауына және Фоулердің тәжірибелік ерлігіне сүйене отырып (ол С.С. Лауритсеннен алған), қағаз элементтердің қалай жасалынғанын, оларды әртүрлі процестерге бөліп көрсетудің керемет экспозициясы болды. сутегі мен гелийді жағудан басталады және «s» (баяу нейтронды басып алу), «r» (тез нейтронды ұстап алу) және «p» (протонды ұстап алу) деп аталатын процестерді жалғастыра отырып, жоғары элементтерді қосады.

Жұлдыздардағы нуклеосинтезден тұрақты және тұрақсыз элементтерді құру тәсілдері. Кескін несиесі: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Олар Red Giants және Supergiants сияқты массасы жеткілікті үлкен қартаю жұлдыздары өзектерінде темірге дейін барлық элементтерді құру үшін қаншалықты мүмкін болатындығын көрсетті. Тіпті одан да жоғары элементтер экстремалды жарылыстың төтенше жағдайында пайда болуы мүмкін, нәтижесінде элементтердің толық гаммасы ғарышқа шығарылады.

Тым жаңа қалдық қалдықтың жарылу кезінде пайда болған ауыр элементтерін Ғаламға шығарып қана қоймай, олардың бар болуын Жерден анықтауға болады. Суреттің кредиті: NASA / Chandra рентген обсерваториясы.

Басқа әйгілі емес мақаланың негізгі шектеуі оның ғарыштағы гелийдің үлкен мөлшерін болжай алмауы болды. Барлық жұлдыздар сутекті гелийге айналдырса да, олар бүгінде гелийдің 5% -дан азын құрайтын Ғаламды құра алады. Бірақ біз оның массасының 25% -дан астамы гелий болатын Ғаламды байқаймыз. Осы пайызды алу үшін ыстық жарылыс қажет болды. Үлкен жарылыстың алдын-ала болжауының нақты сутегі-гелий қатынасына сәйкес келуі, сонымен бірге 1965 жылы Арно Пензиас пен Роберт Уилсонның ғарыштық фон радиациясының ашылуы, ерте ғаламның салқындаған «шуылы», негізгі ағым. астрономдардың Үлкен жарылысты Тұрақты күйдегі қолдауы.

60-жылдардың ортасында Хойл мен Бурбидждер «Тұрақты мемлекет» теориясын тастады, бірақ Хойлдың шәкірті Джаянт Нарликар квази-тұрақты күй деп аталатын «кішкентай жарылыстармен» балама жасады. 2001 жылы қайтыс болғанға дейін Хойл осы теорияны қабылдады. Фоулер өзінің ядролық зерттеулері үшін Нобель сыйлығын жеңіп алған кезде, Хойл мен Бурбиджес өздерінің семальдық салымдары үшін аз несие алды.

2007 жылы Вирджиния Тримблмен бірге B²FH қағазының 50 жылдығына орай Американдық физикалық қоғамның жиналысында сессия ұйымдастыруға көмектестім. Джеффри Бербиждің денсаулығы нашар, оған мейірбике көмектесіп, мүгедектер арбасына таңылған болатын. Оның рухы мен дауысы бұрынғыдай күшті болды. Мен оның Үлкен жарылыстың адамдар жартастың басына ілесіп келе жатқан ақымақтық сияқты болғаны туралы айтқандығы есімде. Үш жылдан кейін ол қайтыс болды.

Бүгінде Маргарет Бербиж, 97 жаста, біз оның 60 жылдық мерейтойын атап өткендей, әлі күнге дейін тірі қағаздың жалғыз авторы. Профессор Бурбиджге және оның марқұм әріптестеріне адамзат оның жұлдызды заттардан жасалғанын түсінген сәтте тост көтерейік!

Bang of Forbes-тен басталады, Patreon қолдаушылары арқасында Ортада қайта шығарылды. Этанның Галактикадан тыс алғашқы кітабына тапсырыс беріп, оның келесі трекологиясы туралы алдын-ала тапсырыс беріңіз: Tricorders-тен Warp Drive-қа дейінгі Star Trek туралы ғылым!