Drita e Diellit është për shkak të shkrirjes bërthamore, e cila kryesisht shndërron hidrogjenin në helium. Sidoqoftë, yjet mund të pësojnë procese të mëtejshme, duke krijuar elementë shumë më të rëndë se kaq. Kredia e figurës: NASA / SDO.

60 vjet Starstuff

Si zbuloi njerëzimi se nga vijnë elementët tanë.

Ky artikull u shkrua nga fizikani Paul Halpern nga Universiteti i Shkencave në Pensilvani. Pali është autori i librit të ri Quyrum Labyrinth: How Richard Feynman and John Wheeler Revolucionarizuan Kohën dhe Realitetin.

"Ju nuk mund të jeni këtu nëse yjet nuk do të kishin shpërthyer, sepse elementët - karboni, azoti, oksigjeni, hekuri, të gjitha gjërat që kanë rëndësi për evolucionin dhe për jetën - nuk u krijuan në fillim të kohës. Ata u krijuan në furrat bërthamore të yjeve, dhe mënyra e vetme që ata të hynin në trupin tuaj është nëse ata yje do të ishin aq të mirë sa të shpërthejnë ... ”-Lawrence Krauss

Në shkencë, nuk është e nevojshme të merrni gjithçka në mënyrë që të merrni saktë gjërat më të pabesueshme. Ndonjëherë idetë e mira dalin nga një paradigmë e dështuar. Një shembull i shkëlqyeshëm i të dyjave është letra nukleosintezës yjore yndyrore (krijimi i bërthamave komplekse nga ato më të thjeshta) letra, botuar në 1957, e njohur thjesht si B2FH, pas inicialeve të katër autorëve. Për herë të parë, ajo ofroi një model të suksesshëm të formimit të elementeve. Ajo ishte krijuar për të shmangur nevojën për një Big Bang, dhe për të mbështetur një shpjegim alternative të quajtur teoria e qëndrueshme e gjendjes. Sot, ndërsa teoria e qëndrimit të qëndrueshëm është një relikt i së kaluarës, nukleosinteza yjore plotëson teorinë e Big Bang-ut në një shpjegim të suksesshëm, gjithëpërfshirës se si u ndërtuan të gjithë elementët në univers nga grimcat elementare.

Shtë një fakt kureshtar i historisë që herën e parë që një astronom përdori termin "Big Bang" për të përshkruar fazat e hershme të Universit, ai e nënkuptoi atë në mënyrë të jashtëzakonshme. Studiuesi i Kembrixhit, Fred Hoyle ("H" në letrën kryesore), i cili krijoi shprehjen në një intervistë në radio në vitin 1948 në BBC, mendoi se ideja e të gjithë çështjes në univers shfaqet menjëherë, si shpërthimi i papritur i një piñata kolosale kozmike, të jesh me patjetër qesharak.

Fred Hoyle ishte një i rregullt në programet e radios në BBC në vitet 1940 dhe 1950, dhe një nga figurat më me ndikim në fushën e nukleosintezës yjore. Kredia e imazhit: Kompania Britanike e Transmetimit.

Ndërsa ai besonte në një kozmos në zgjerim, ai mendoi se do të zgjasë përgjithmonë në një gjendje të qëndrueshme të ngjashmërisë afër, me një ngatërrim të ngadaltë të lëndës së freskët që mbush boshllëqet - e ngjashme me një rrobaqepës duke shtuar butona të rinj në një kostum të ndryshuar për një fëmijë në rritje.

Në Big Bang, Universi në zgjerim bën që materia të hollohet me kalimin e kohës, ndërsa në Teorinë e Shtetit të Qëndrueshëm, krijimi i vazhdueshëm i materies siguron që dendësia të mbetet konstante me kalimin e kohës. Kredia e figurës: E. Siegel.

Një nga problemet kryesore me skemën e gjendjes së qëndrueshme të Hoyle, i bashkë-zhvilluar me Thomas Gold dhe Herman Bondi, ishte shpjegimi se si grimcat elementare të ftohta, që gradualisht po depërtojnë në hapësirë, mund të përhapen në elemente më të larta. Në atë fushë, teoria e Big Bang, në fillim, pretendoi se kishte të gjitha përgjigjet. George Gamow, së bashku me studentin e tij Ralph Alpher, bëri me dije për të shpjeguar tërësinë e krijimit të elementeve përmes nukleosintezës së Big Bang-ut. Kjo do të thotë, ata argumentuan se shufra e zjarrtë e Big Bang falsifikoi të gjithë elementët kimikë natyrorë, nga hidrogjeni deri në uranium, nga blloqet e ndërtimit të protoneve më të thjeshta. Ata botuan punën e tyre në një letër kryesore "Origjina e elementeve kimike", që u shfaq në prill 1948.

George Gamow, duke qëndruar në këmbë (me tub) në të djathtë, në Laboratorin e Braggut në 1930/1931. Kredia e figurës: Serge Lachinov.

Gamow kishte një sens të mrekullueshëm humori dhe i pëlqente të luante shaka praktike. Duke vënë në dukje se emri i Alpher-it dhe i ngjashëm me shkronjat e para dhe të treta të alfabetit grek, alfa dhe gama, kur dorëzoi letrën, ai vendosi të shtojë emrin e fizikantit Hans Bethe, i cili tingëllonte si beta, si autori i dytë. Bethe nuk kishte pothuajse asnjë lidhje me letrën. Sidoqoftë, ai ishte një ekspert në nukleosintezën, kështu që ideja nuk ishte aq e çmendur sa dukej. Prandaj artikulli seminal njihet botërisht si letra alfa-beta-gama. (Kur një student tjetër i diplomuar Robert Herman u bashkua me ekipin, Gamow me shaka sugjeroi që të ndryshojë emrin e tij në "Delter", vetëm për t'u përshtatur.)

Gazeta e famshme Alpher-Bethe-Gamow e vitit 1948, e cila detajoi disa nga pikat më të hollësishme të Nucleosyntesis Big Bang. Elementet e dritës ishin parashikuar saktë; elementët e rëndë nuk ishin. Kredia e figurës: Rishikimi Fizik (1948).

Krenar për fjalën e tij të zgjuar si dhe për idenë e tij të romanit, Gamow i dërgoi një kopje të letrës shokut të tij fizikantit suedez Oskar Klein, duke e këshilluar për rëndësinë e tij. "Duket se ky artikull" alfabetik "mund të përfaqësojë alfa ndaj omega të prodhimit të elementeve," shkroi Gamow. "Si të pëlqen?" Klein pastaj u përgjigj:

"Ju faleminderit shumë që më dërguat letrën tuaj simpatike alfabetike. A do të më lejoni, megjithatë, të kem ndonjë dyshim në lidhje me përfaqësimin e saj 'alfa në omega të prodhimit të elementeve'. Sa i përket gamës, unë jam dakord natyrisht plotësisht me ju dhe se ky fillim i ndritshëm duket me të vërtetë premtues, por sa i përket zhvillimit të mëtejshëm unë shoh vështirësi. "

Në të vërtetë, përgjigja e Klein ishte e përshtatshme. Gazeta alfa-beta-gamma mund të shpjegojë fjalë për fjalë vetëm tre elementët e parë: hidrogjen, helium dhe (në një masë të kufizuar) litium. Këto mund të ndërtohen hap pas hapi, si kangjellat e një shkalle, duke shtuar një proton, neutron ose deuteron (kombinim proton-neutron) për t'u ngritur në izotopin tjetër. Përtej prodhimit të litiumit kishte një problem fatal: nuk kishte izotope të qëndrueshëm të masës atomike (shuma e protoneve plus neutronet) pesë ose tetë!

  • Shtimi i një protoni ose neutroni në helium-4, për të krijuar ose helium-5 ose litium-5, do të shkaktonte që njëra të kalbet në më pak se 10–21 sekonda.
  • Shtimi i dy bërthamave helium-4 së bashku, për të krijuar beryllium-8, rezulton në një kalbje në vetëm nën 10–16 sekonda.

Pa një hap të mirë në masën pesë ose tetë, dukej se nuk kishte asnjë mënyrë të mirë për të përparuar më tej. Nuk kishte asnjë mënyrë, për shembull, karboni mund të mblidhej, veçanërisht në kohën e kufizuar që universi ishte në të nxehtin e tij. Kur keni menduar për elemente edhe më të larta, më të rënda, problemi u rrit vetëm më i vështirë. Shkalla e nukleosintezës së Big Bang-ut mungonte në këtë mënyrë kthesat kryesore që e dënuan atë si një përshkrim i plotë i të gjithë tabelës periodike.

Bollëku i parashikuar i helium-4, deuterium, helium-3 dhe litium-7 siç parashikohet nga Nucleosyntesis Big Bang, me vëzhgimet e paraqitura në qarqet e kuqe. Edhe pse disa elemente janë ndërtuar nga Big Bang, shumica e tabelës periodike nuk janë. Kredia e figurës: Ekipi shkencor i NASA / WMAP.

Hoyle, ndërkohë, parashtroi hipotezën e tij se të gjithë elementët më të lartë përtej heliumit ishin prodhuar në yje të gjigantëve të kuq. Gjatë një dekade, nga mesi i viteve 1940 deri në mesin e viteve 50, ai filloi të merrte në konsideratë lloje të ndryshme të proceseve bërthamore që mund të ndërtonin elemente më të larta, të tilla si karboni, azoti dhe oksigjeni në bërthamat e zjarrta yjore. Këto do të kërkonin temperaturë jashtëzakonisht të larta të qëndrueshme për periudha të gjata kohore.

Në Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, një fizikan bërthamor danez, kishte krijuar një qendër të fuqishme të strukturës bërthamore të quajtur Laboratori i Rrezatimit WK Kellogg. Studiuesit atje në vitet 1950 përfshinin studentin e diplomuar të Lauritsen, William Fowler, dhe djalin e Lauritsen Thomas, një fizikan të realizuar në të drejtën e tij. Laboratori u bë i dalluar për përdorimin e përshpejtuesve të grimcave për të shpejtuar dhe gërmuar grimcat drejt objektivave bërthamore, duke shkaktuar në disa raste shndërrime.

Willie Fowler në Laboratorin e Rrezatimit WK Kellogg në Caltech, i cili konfirmoi ekzistencën e shtetit Hoyle dhe procesin e trefishtë-alfa. Kredia e figurës: Arkivi i Caltech.

I tërhequr nga aftësia e Kellogg Lab, Hoyle organizoi vizita të shumta të gjata në Caltech, duke filluar në vitin 1953. Me të mbërritur në laborator ai menjëherë sfidoi studiuesit për të hetuar hipotezën e tij për një gjendje të ngazëllyer të karbonit-12 që vepronte si një hap jetësor në nukleosintezën yjore. Fowler, dy Lauristens dhe një fizikant tjetër i quajtur CW Cook u nisën për të gjetur atë gjendje dhe arritën shumë shpejt ta prodhojnë atë. Kjo filloi një bashkëpunim shumë fitimprurës midis Hoyle, Fowler, dhe të tjerët. Ata së shpejti u bashkuan nga ekipi i gruas dhe burrit të astronomëve britanikë E. Margaret dhe Geoffrey Burbidge, të cilët kishin punuar me Hoyle në Kembrixh.

Margaret dhe Geoffrey Burbidge, pionierë në fushën e nukleosintezës yjore. Kredia e figurës: Arkivi i Caltech.

Më 30 Dhjetor 1956, vepra e shndërrimit të elementeve në Kellogg, që përfshin bombardimin e karbonit me deuteronët, u paraqit në New York Times si dëshmi për teorinë e shtetit të qëndrueshëm në krahasim me Big Bang. Referuar një fjalimi të mbajtur nga Thomas Lauritsen në mbledhjen vjetore të Shoqatës Fizike Amerikane atë vit, titulli i tij lexohej, “Fizikanti bën Heliumin e Karbonit; Shndërrimi është përshëndetur si ndihmë për të shpjeguar origjinën e universit; Teoria "Big Bang" Hit. "

Titujt që njoftojnë suksesin e nukleosintezës yjore… dhe zgjatjen e parashikimeve alfa-beta-gama të elementeve më të rëndë. Kredia e figurës: New York Times.

Më pak se një vit më vonë, më 1 tetor 1957, dy Burbidges, Fowler dhe Hoyle (B²FH) botuan në Rishikimet e Fizikës Moderne punimin e seminarit "Sinteza e elementeve në yje". Duke u mbështetur në ekspertizën teorike të Hoyle, njohuritë vëzhguese të Burbidges dhe aftësinë eksperimentale të Fowler-it (të cilën ai e morri pjesërisht nga CC Lauritsen), punimi ishte një ekspozitë brilante se si u ndërtuan elementët, duke i ndarë këto në procese të ndryshme, duke filluar me djegien e hidrogjenit dhe djegien e heliumit, dhe duke vazhduar në të ashtuquajturat "s" (kapja e ngadaltë e neutronit), "r" (kapja e shpejtë e neutronit) dhe "p" (kapja e protonit) që përfshijnë elemente më të larta.

Mënyrat për të krijuar elemente - të qëndrueshme dhe të paqëndrueshme - nga nukleosinteza në yje. Kredia e figurës: Woosley, Arnett dhe Clayton (1974), Journal Astrophysical.

Ata treguan sesi yjet e plakjes që ishin mjaft masivë, siç janë gjigantët e kuq dhe supergjigjet, mund ta gjenin të realizueshëm energjikisht të krijonin të gjithë elementët deri në hekur në bërthamat e tyre. Elementet akoma më të larta mund të prodhoheshin në kushte ekstreme të një shpërthimi të supernovës, mbi të cilën gamë e plotë e elementeve do të lëshohej në hapësirë.

Një mbetje e supernovës jo vetëm që dëbon elementët e rëndë të krijuar në shpërthim përsëri në Univers, por prania e këtyre elementeve mund të zbulohet nga Toka. Kredia e figurës: Observatori X-ray NASA / Chandra.

Kufizimi kryesor i artikullit të pazgjidhur ishte dështimi i tij për të parashikuar sasinë masive të heliumit në hapësirë. Edhe pse të gjithë yjet shkrinë hidrogjenin në helium, ata do të krijonin vetëm një Univers që ishte, në masë, më pak se 5% helium sot. Megjithatë, ne vëzhgojmë një Univers, ku më shumë se 25% e masës së tij është helium. Për të prodhuar atë përqindje, Big Bang nxehtë doli e nevojshme. Ndeshja e ngushtë e parashikimeve të Big Bang-ut me raportin aktual të hidrogjenit-heliumit, si dhe zbulimit të vitit 1965 nga Arno Penzias dhe Robert Wilson të rrezatimit të sfondit kozmik, "fajet" e ftohura të rrezatimit nga universi i hershëm, të çimentuar mbështetja e astronomëve nga Big Bang mbi gjendjen e qëndrueshme.

Në mesin e viteve 1960, Hoyle dhe Burbidges hodhën teorinë origjinale të Steady State, por së bashku me studentin e Hoyle, Jayant Narlikar zhvilluan një alternative me "bangat e vegjël" të quajtur gjendja kuazi e qëndrueshme. Deri në vdekjen e tij në 2001, Hoyle vazhdoi të përqafojë atë teori. Ndërsa Fowler fitoi izemimin Nobel për hulumtimin e tij bërthamor në përgjithësi, me siguri që Hoyle dhe Burbidges morën relativisht pak kredi për kontributet e tyre kryesore.

Në vitin 2007, së bashku me Virginia Trimble, unë ndihmova në organizimin e një seance në një takim të Shoqatës Fizike Amerikane për nder të 50-vjetorit të letrës B²FH. Geoffrey Burbidge, nga atëherë në gjendje të dobët shëndetësore, i ndihmuar nga një infermiere dhe e mbyllur në një karrige me rrota, mori pjesë dhe mbajti një fjalim. Fryma dhe zëri i tij ishin po aq të fortë sa kurrë më parë. Unë e kujtoj atë duke folur për njerëzit e Big Bang duke qenë si qenka pa mendje pas udhëheqësit të tyre mbi një shkëmb. Ai vdiq më pak se tre vjet më vonë.

Sot Margaret Burbidge, në moshën 97 vjeç, është e vetmja autore e letrës që është akoma gjallë, pasi përkujtojmë 60 vjetorin e saj. Le t’i ngremë një dolli Prof. Burbidge dhe kolegëve të saj të ndjerë, në festimin e momentit që njerëzimi e kuptoi që është bërë me sende yje!

Fillon me një zhurmë është i vendosur në Forbes, i ribotuar në Medium falë mbështetësve tanë të Patreon. Renditni librin e parë të Ethanit, Përtej Galaxy, dhe para-porosisni librin e tij të ardhshëm, Treknology: The Science of Star Trek nga Tricorder to Warp Drive!