Günəşin işığı ilk növbədə hidrogeni heliuma çevirən nüvə birləşməsinə bağlıdır. Ancaq ulduzlar bundan daha ağır elementlər yaradaraq sonrakı proseslərə keçə bilərlər. Şəkil krediti: NASA / SDO.

60 illik Starstuff

Bəşəriyyət elementlərimizin haradan gəldiyini necə kəşf etdi.

Bu məqaləni Pensilvaniyadakı Elmlər Universitetinin fiziki Pol Halpern yazmışdır. Paul yeni "Kvant Labirinti" kitabının müəllifidir: Richard Feynman və John Wheeler Zaman və Reallıq necə inqilab etdi.

"Ulduzlar partlamamış olsaydı, burada ola bilməzdiniz, çünki elementlər - karbon, azot, oksigen, dəmir, təkamül və həyat üçün vacib olan bütün şeylər əvvəllər yaradılmamışdı. Bunlar ulduzların nüvə sobalarında yaradıldı və bədəninizə girməsinin yeganə yolu bu ulduzların partlamağa yetərli olsaydı ... ”-Lawrence Krauss

Elmdə ən inanılmaz şeyləri düzəltmək üçün hər şeyi düzəltməyə ehtiyac yoxdur. Bəzən yaxşı fikirlər uğursuz bir paradiqmadan yaranır. Hər ikisinə də əla bir nümunə, dörd müəllifin baş hərflərindən sonra sadəcə B2FH olaraq bilinən 1957-ci ildə çap edilmiş təməl mükəmməl nukleosintez kağızı (sadə nüvələrdən mürəkkəb nüvələrin yaradılması). İlk dəfə uğurlu bir element meydana gəlməsi modelini təqdim etdi. Böyük bir partlayışa ehtiyac qalmamaq və Sabit Dövlət nəzəriyyəsi adlanan alternativ bir izahı dəstəkləmək üçün hazırlanmışdır. Bu gün, Sabit Dövlət nəzəriyyəsi keçmişin bir relyefi olduğu halda, ulduzlu nukleosintez Big Bang nəzəriyyəsini kainatdakı bütün elementlərin elementar hissəciklərdən necə qurulduğunu uğurlu və hərtərəfli izahında tamamlayır.

Bir astronomun ilk dəfə Kainatın erkən mərhələlərini təsvir etmək üçün "Big Bang" termini istifadə etməsi tarixin maraqlı bir həqiqətidir. 1948-ci ildə BBC radiosuna verdiyi müsahibədə ifadə verən Cambridge tədqiqatçısı Fred Hoyle (kosmik piatata qəfil partlayış kimi) bir anda ortaya çıxan kainatdakı bütün maddələrin fikirlərini düşünərək, ehtiyatla gülünc olmaq.

Fred Hoyle, 1940-1950-ci illərdə BBC radio proqramlarında müntəzəm olaraq çalışırdı və mükəmməl nukleosintez sahəsindəki ən nüfuzlu şəxslərdən biri idi. Şəkil krediti: British Broadcasting Company.

Genişlənən bir kosmosa inansa da, o, böyüyən uşaq üçün dəyişdirilmiş kostyuma yeni düymələr əlavə edən bir dərziyə bənzər, yavaş-yavaş təzə maddənin boşluqları dolduraraq, yaxınlıqdakı sabitlik vəziyyətində əbədi qalacağını düşünürdü.

Böyük Partlayışda, Genişlənən Kainat zamanla maddənin sululmasına səbəb olur, Davamlı Dövlət nəzəriyyəsində davamlı maddənin yaranması, zamanla sıxlığın qalmasını təmin edir. Şəkil krediti: E. Siegel.

Thomas Gold və Herman Bondi ilə birlikdə hazırlanan Hoyle'nin Davamlı Dövlət sxeminin əsas problemlərindən biri, tədricən kosmosa girən soyuq, elementar hissəciklərin daha yüksək elementlərə keçə biləcəyini izah etdi. Bu sahədə Big Bang nəzəriyyəsi əvvəlcə bütün cavabların olduğunu iddia etdi. George Gamow, tələbəsi Ralph Alpher ilə birlikdə Big Bang nukleosintezi vasitəsi ilə element yaradılışının bütünlüklə izah edilməsini istədi. Yəni, Big Bang'in odlu qazanı, hidrogendən urana qədər, daha sadə proton və neytron tikinti bloklarından çıxaraq bütün təbii kimyəvi elementləri saxladığını iddia etdi. Əsərlərini 1948-ci ilin aprelində çıxan "Kimyəvi elementlərin mənşəyi" adlı əsas sənəddə yayımladılar.

George Gamow, sağda (boru ilə), Bragg Laboratoriyasında 1930/1931. Şəkil krediti: Serj Laçinov.

Gamow gözəl yumor hissi keçirdi və praktik zarafatlar oynamağı sevirdi. Alfer adının və Yunan əlifbasının ilk və üçüncü hərflərinə, alfa və qammaya bənzədiyini qeyd edərək, kağızı təqdim edərkən ikinci müəllif olaraq beta kimi səslənən fizik Hans Bethe'nin adını əlavə etmək qərarına gəldi. Bethein kağızla demək olar ki, heç bir əlaqəsi yox idi. Ancaq o, nukleosintez sahəsindəki bir mütəxəssis idi, buna görə də fikir səslənən qədər dəli deyildi. Beləliklə, seminal məqalə ümumiyyətlə alfa-beta-qamma kağızı kimi tanınır. (Digər bir tələbə Robert Herman komandaya qoşulduqda, Gamow zarafatla adını “Delter” olaraq dəyişdirməyi təklif etdi.)

Big Bang nukleosintezinin bəzi incə nöqtələrini ətraflı izah edən 1948-ci il tarixli məşhur Alpher-Bethe-Gamow kağızı. İşıq elementləri düzgün proqnozlaşdırıldı; ağır elementlər deyildi. Şəkil krediti: Fiziki baxış (1948).

Ağıllı söz yaradıcılığı ilə, həm də roman ideyası ilə qürur duyan Qamow, kağızın bir nüsxəsini dostu İsveç fiziki Oskar Klein'ə göndərdi, bunun əhəmiyyətini ona məsləhət verdi. "Görünən budur ki," əlifba sırası ilə "məqalə element istehsalının omeqa alfasını təmsil edə bilər" deyə Gamow yazıb. "Bəyənirsən?" Klein sonra cavab verdi:

“Cazibədar əlifba kağızınızı mənə göndərdiyiniz üçün çox sağ olun. Bununla birlikdə, 'element istehsalının omega alfasını' təmsil etməyinizə dair bir şübhə yaratmağa icazə verərsiniz. Gamma mövzusuna gəldikdə, əlbəttə ki, sizinlə tamamilə razıyam və bu parlaq başlanğıc həqiqətən çox perspektivli görünsə də, sonrakı inkişafda çətinliklər görürəm. "

Həqiqətən, Klein cavabı uyğun idi. Alfa-beta-qamma kağızı sanki ilk üç elementi izah edə bilər: hidrogen, helium və (məhdud dərəcədə) litium. Bunlar növbəti izotopa yüksəlmək üçün bir proton, neytron və ya deuteron (proton-neytron birləşməsi) əlavə etməklə nərdivanın halqaları kimi addım-addım düzəldilə bilər. Lityum istehsalının xaricində ölümcül bir problem var idi: beş və ya səkkiz atom kütləsinin (protonların sayı və neytronların miqdarı) sabit izotopları yox idi!

  • Ya helium-5 ya da ya litium-5 yaratmaq üçün ya proton və ya neytron əlavə etmək ya da 10-21 saniyədən az müddətdə çürüməsinə səbəb olardı.
  • Berilyum-8 yaratmaq üçün iki helium-4 nüvəsini əlavə etmək, cəmi 10-16 saniyə ərzində çürüməyə səbəb olur.

Kütləvi beş-səkkiz addımda yaxşı bir addım olmadan, irəliləməyə yaxşı bir yol görünmədi. Məsələn, karbon yığıla bilmədi, xüsusən kainatın ən isti vaxtında. Daha yüksək, daha ağır elementlər haqqında düşünəndə problem yalnız daha da böyüdü. Big Bang nukleosintez nərdivanında bununla bütün dövri cədvəlin tam təsviri olaraq məhrum olan əsas dövrələr yox idi.

Big Bang Nukleosintezi tərəfindən proqnozlaşdırıldığı kimi helium-4, deuterium, helium-3 və lityum-7-in bolluğu, qırmızı dairələrdə göstərilən müşahidələrlə. Bəzi elementlər Big Bang tərəfindən qurulsa da, dövri cədvəlin əksəriyyəti belə deyil. Şəkil krediti: NASA / WMAP elm qrupu.

Bu vaxt Hoyle, heliumdan kənar bütün yuxarı elementlərin qırmızı nəhəng ulduzlarda əmələ gəldiyinə dair öz fərziyyəsini irəli sürdü. Bir on il ərzində, 1940-cı illərin ortalarından 1950-ci illərin ortalarına qədər ocaq otağında karbon, azot və oksigen kimi daha yüksək elementləri yarada biləcək müxtəlif növ nüvə proseslərini nəzərdən keçirməyə başladı. Bunlara uzun müddət davam edən çox yüksək temperatur tələb olunur.

Caltech-də, Danimarkalı nüvə fiziklərindən olan CC (Charles Christian) Lauritsen, WK Kellogg Radiasiya Laboratoriyası adlı güclü bir nüvə quruluş mərkəzi qurmuşdu. 1950-ci illərdə oradakı tədqiqatçılar arasında Lauritsenin aspirantı Uilyam Fowler və Lauritsen'in oğlu Tomas, öz sağlamlığına sahib olan bir fizik idi. Laboratoriya, hissəciklərin sürətləndiricilərinin sürətləndirilməsi və nüvə hədəflərinə atılması üçün bəzi hallarda transmutasiyaya səbəb olması ilə seçilir.

Hoyle Ştatının və üçlü alfa prosesinin mövcudluğunu təsdiqləyən Caltech-dəki WK Kellogg Radiasiya Laboratoriyasında Willie Fowler. Şəkil krediti: Caltech Archives.

Kellogg Laboratoriyasının qabiliyyəti ilə 1953-cü ildə başlayan Hoyle, Caltech'e çoxsaylı səfərlər təşkil etdi. Laboratoriyaya gəldikdən dərhal sonra tədqiqatçılara uzun sürən həyəcan verici bir karbon-12 olaraq ortaya çıxan hipotezini araşdırmaq üçün müraciət etdi. ulduz nukleosintezində vacib bir addım. Fowler, iki Lauristens və CW Cook adlı başqa bir fizik bu vəziyyəti tapmaq üçün yola çıxdı və çox qısa müddətdə onu istehsal etdi. Bu, Hoyle, Fowler və başqaları arasında yüksək gəlirli bir əməkdaşlığa başladı. Tezliklə Kembricdə Hoyle ilə birlikdə işləyən İngilis astronomları E. Margaret və Geoffrey Burbidge-in həyat yoldaşı və ər komandası da qoşuldu.

Marqaret və Geoffrey Burbidge, ulduz nukleosintezi sahəsində qabaqcıllar. Şəkil krediti: Caltech Archives.

30 Dekabr 1956-cı ildə Kellogg-da elementlərin ötürülməsi işləri, karbonların deuteronlarla bombalanması ilə əlaqəli New York Times qəzetində, Big Bang'in əksinə Sabit Dövlət nəzəriyyəsinə dəlil olaraq göstərildi. Həmin il Amerika Fizika Cəmiyyətinin illik toplantısında Tomas Lauritsenin söylədiyi nitqə toxunaraq, başlığı “Fizik karbon Heliumunu düzəldir; Transmütutasiya Kainatın mənşəyini izah etməyə köməkçi kimi tutulur; 'Big Bang' nəzəriyyəsi Hit. "

Ulduz nukleosintezinin müvəffəqiyyətini və ağır elementlərin alfa-beta-qamma proqnozlarının yüksəldilməsini elan edən başlıqlar. Şəkil krediti: New York Times.

Bir ildən az bir müddət sonra, 1 oktyabr 1957-ci ildə iki Burbidj, Fowler və Hoyle (B²FH) Müasir Fizika İcmallarında "Ulduzlardakı Elementlərin Sintezi" adlı seminar məqaləsini dərc etdilər. Hoyle'nin nəzəri təcrübəsinə, Burbidjlərin müştərək biliklərinə və Fowler'in (CC Lauritsen'dən götürdüyü) təcrübi şücaətinə əsaslanaraq, kağız, elementləri necə qurulduğunu, bunları fərqli proseslərə ayıran parlaq bir ekspozisiya idi. hidrogen yanması və helium yanması ilə başlayan və daha yüksək elementlərin iştirak etdiyi "s" (yavaş neytron ələ keçirmə), "r" (sürətli neytron ələ keçirmə) və "p" (proton ələ keçirmə) proseslərinə davam etmək.

Ulduzlardakı nukleosintezdən elementlərin qurulması yolları - sabit və qeyri-sabit. Şəkil krediti: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrofizika jurnalı.

Qırmızı Nəhənglər və Supergianlar kimi kifayət qədər kütləvi olan qocalmış ulduzların, nüvələrində dəmir qədər bütün elementləri yaratmaq üçün enerjili olaraq mümkün olduğunu necə göstərdilər. Daha yüksək elementlər fövqəladə bir partlayışın həddindən artıq şəraitində istehsal oluna bilər və bunun nəticəsində elementlərin tam gamutu kosmosa buraxılacaqdır.

Fövqəladə bir qalıq nəinki partlayışda yaranan ağır elementləri Kainata atır, əksinə bu elementlərin varlığını Yerdən aşkar etmək olur. Şəkil krediti: NASA / Chandra rentgen rəsədxanası.

Başqa üstün məqalənin əsas məhdudluğu, kosmosdakı heliumun miqdarını əvvəlcədən bilməməsi idi. Bütün ulduzlar hidrogenin heliuma sızmasına baxmayaraq, bu gün yalnız kütləsi ilə 5% -dən az olan bir Kainat meydana gətirəcəklər. Halbuki kütləsinin 25% -dən çoxunun helium olduğu bir Kainatı müşahidə edirik. Bu faizi çıxarmaq üçün isti Big Bang lazım olduğu ortaya çıxdı. Big Bang proqnozlarının həqiqi hidrogen-helium nisbətinə yaxın uyğunluğu, həmçinin 1965-ci ildə Arno Penzias və Robert Wilson tərəfindən kosmik fon radiasiyasının kəşf edilməsi, erkən kainatın soyuduğu "səs-küy", əsas sement astronomların Sabit Dövlət üzərində Big Bang'in dəstəyi.

1960-cı illərin ortalarında Hoyle və Burbidjlər orijinal Dayan Dövlət nəzəriyyəsini atdılar, lakin Hoyle'nin tələbəsi Jayant Narlikar ilə birlikdə kvazi-sabit dövlət adlandırılan "kiçik bangs" ilə alternativ hazırladı. 2001-ci ildə ölümünə qədər Hoyle bu nəzəriyyəni qəbul etməyə davam etdi. Fowler, ümumiyyətlə, nüvə tədqiqatlarına görə Nobel mükafatını alarkən, ehtimal ki, Hoyle və Burbidges seminal qatqıları üçün nisbətən az kredit aldılar.

2007-ci ildə Virciniya Trimble ilə birlikdə B²FH sənədinin 50 illiyi şərəfinə Amerika Fiziki Cəmiyyətinin iclasında bir sessiya təşkil etməyə kömək etdim. Geoffrey Burbidge, o vaxta qədər səhhəti zəif olan, tibb bacısı tərəfindən kömək edilərək əlil arabasına məhkum edilmiş və qatıldı. Ancaq ruhu və səsi həmişə olduğu kimi güclü idi. Mən Big Bang insanların uçurum üzərində liderinə tabe olan ağılsız lemmings kimi danışdıqlarını xatırlayıram. Üç ildən az sonra öldü.

Bu gün Margaret Burbidge, 97 yaşında, hələ 60 yaşını qeyd etdiyimiz kimi, hələ də sağ qalan kağızın müəllifidir. Professor Burbidge və mərhum həmkarları üçün bəşəriyyətin ulduz əşyalarından hazırlandığını anladığı anı qeyd etmək üçün bir tost hazırlayaq!

Bir Bang ilə başlayır, Patreon tərəfdarlarımız sayəsində Orta Asiyada yenidən nəşr olunan Forbes’də. Ethan'ın Galaxy'dan başqa ilk kitabını sifariş verin və növbəti Treknology'yə əvvəlcədən sifariş verin: Tricorders'dan Warp Drive'a qədər Star Trek Elmi!