אור השמש נובע ממיזוג גרעיני, שממיר בעיקר מימן להליום. עם זאת, כוכבים יכולים לעבור תהליכים נוספים ויוצרים אלמנטים כבדים בהרבה מזה. אשראי תמונה: NASA / SDO.

60 שנות הכוכבים

איך האנושות גילתה מאיפה המרכיבים שלנו מגיעים.

מאמר זה נכתב על ידי הפיזיקאי פול הלפרן מאוניברסיטת המדעים בפנסילבניה. פול הוא מחבר הספר החדש "מבוך הקוונטים": איך ריצ'רד פיינמן וג'ון ווילר עשו מהפכה בזמן ובמציאות.

"לא יכולת להיות כאן אם הכוכבים לא היו מתפוצצים, מכיוון שהיסודות - הפחמן, החנקן, החמצן, הברזל, כל הדברים החשובים להתפתחות ולחיים - לא היו נוצרים בתחילת הזמן. הם נוצרו בתנורים גרעיניים של כוכבים, והדרך היחידה עבורם להיכנס לגופכם היא אם הכוכבים האלה היו חביבים מספיק כדי להתפוצץ… ”-לורנס קראוס

במדע אתה לא צריך להסתדר עם הכל כדי לתקן את הדברים המדהימים ביותר. לפעמים רעיונות טובים נובעים מפרדיגמה כושלת. דוגמא מצוינת לשניהם היא נייר פורצי הדרך של נוקלאוזינתזה מהממים (יצירת גרעינים מורכבים מאלה פשוטים יותר), שפורסם בשנת 1957, המכונה בפשטות B2FH, על שם ראשי התיבות של ארבעת המחברים. לראשונה היא הציעה מודל מוצלח של היווצרות אלמנטים. הוא נועד למנוע את הצורך במפץ גדול, ולתמוך בהסבר אלטרנטיבי המכונה תיאוריית סטיידי סטייט. כיום, בעוד שתורת Steady State היא שריד לעבר, נוקלאוזינתזה מהממת משלימה את תיאוריית המפץ הגדול בהסבר מוצלח ומקיף כיצד נבנו כל היסודות ביקום מחלקיקים אלמנטריים.

זו עובדה מוזרה בהיסטוריה, כי בפעם הראשונה שאסטרונום השתמש במונח "המפץ הגדול" כדי לתאר את השלבים הראשונים של היקום, הוא התכוון לזה בלעג. חוקר קמברידג 'פרד הויל (ה"ה "בעיתון המרכזי), שטבע את הביטוי בראיון לרדיו BBC ב- 1948, חשב שהרעיון של כל העניין ביקום מתגלה בבת אחת, כמו התפרצות פתאומית של פיאנה קוסמית קולוסאלית, להיות מגוחך בעליל.

פרד הויל היה קבוע בתוכניות הרדיו של ה- BBC בשנות הארבעים והחמישים, ואחת הדמויות המשפיעות ביותר בתחום נוקלאוזינתזה מהממים. קרדיט תמונה: חברת השידור הבריטית.

בזמן שהוא האמין בקוסמוס מתרחב, הוא חשב שזה יימשך לנצח במצב יציב של כמעט זהות, כשזרזיף איטי של חומר טרי ממלא את החסר - בדומה לחייט שהוסיף כפתורים חדשים לחליפה שהשתנה לילד שגדל.

במפץ הגדול, היקום המתרחב גורם לדילול החומר לאורך זמן, בעוד שבתאוריה המוצגת-סטייתית, המשך יצירת החומר מבטיחה כי הצפיפות תישאר קבועה לאורך זמן. קרדיט תמונה: א. סיגל.

אחת הבעיות העיקריות בתכנית הסטייל סטייט של הויל, שפותחה בשיתוף עם תומאס גולד והרמן בונדי, הייתה הסבר כיצד החלקיקים הקרים, היסודיים המחלחלים בהדרגה לחלל יכולים להעביר לאלמנטים גבוהים יותר. בתחום זה, בהתחלה, תאוריית המפץ הגדול טענה שיש את כל התשובות. ג'ורג 'גמוב, יחד עם תלמידו ראלף אלפר, התיימר להסביר את מכלול יצירת האלמנטים באמצעות נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול. כלומר, הם טענו כי הקדירה הלוהטת של המפץ הגדול זייפה את כל היסודות הכימיים הטבעיים, ממימן דרך אורניום, מתוך אבני הבניין הפרוטונים והניוטרון הפשוטים יותר. הם פרסמו את עבודותיהם במאמר מפתח "מקורם של המרכיבים הכימיים", שהופיע באפריל 1948.

ג'ורג 'גמוב עומד (בצינור) מימין במעבדת בראג ב 1930/1931. קרדיט תמונה: סרג 'לחינוב.

לגמוב היה חוש הומור נפלא ואהב לשחק בדיחות מעשיות. כשהוא מציין כי שמו של אלפר ושמו דמו באותיות הראשונות והשלישיות של האלף-בית היווני, אלפא וגמא, כשהגיש את העיתון, הוא החליט להוסיף את שמו של הפיזיקאי האנס בטה, שנשמע כמו בטא, כסופר השני. לבה כמעט ולא היה שום קשר לעיתון. עם זאת, הוא היה מומחה בנוקלאוזינתזה, כך שהרעיון לא היה מטורף כמו שזה נשמע. מכאן שמאמר הזרע ידוע באופן אוניברסאלי בשם נייר האלפא-בטא-גמא. (כשסטודנט נוסף לתואר שני רוברט הרמן הצטרף לצוות, גמוב הציע בבדיחות להחליף את שמו ל"דלטר ", רק כדי להשתלב.)

העיתון המפורסם של אלפר-בטה-גמוב משנת 1948, שפירט כמה נקודות טובות יותר של נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול. האלמנטים הקלים ניבאו נכון; האלמנטים הכבדים לא היו. קרדיט תמונה: סקירה גופנית (1948).

גאה, גאה במשחק התמליל החכם כמו גם ברעיון הרומני שלו, ושלח עותק של העיתון לחברו לפיזיקאי השבדי אוסקר קליין, והודיע ​​לו על חשיבותו. "נראה שמאמר 'אלפביתי' זה עשוי לייצג אלפא לאומגה של ייצור האלמנטים", כתב Gamow. "איך אתה אוהב את זה?" קליין השיב אז:

"תודה רבה ששלחת לי את העיתון האלפביתי המקסים שלך. האם תרשה לי, עם זאת, להיות ספק אם הוא מייצג את 'האלפא לאומגה של ייצור האלמנטים'. בכל הנוגע לגמא אני מסכים כמובן איתך לחלוטין וההתחלה הבהירה הזו נראית אכן מבטיחה ביותר, אבל באשר להמשך ההתפתחות אני רואה קשיים. "

אכן, תגובתו של קליין הייתה נאותה. נייר האלפא-בטא-גאמה יכול היה להסביר, פשוטו כמשמעו, רק את שלושת היסודות הראשונים: מימן, הליום ו (במידה מוגבלת) ליתיום. אלה יכולים להיבנות צעד אחר צעד, כמו פעולות של סולם, על ידי הוספת פרוטון, נויטרון או דויטרון (שילוב פרוטון-נויטרון) כדי להתעלות לאיזוטופ הבא. מעבר לייצור ליתיום הייתה בעיה קטלנית: לא היו איזוטופים יציבים בעלי מסה אטומית (סכום של פרוטונים פלוס נויטרונים) חמישה או שמונה!

  • הוספת פרוטון או נויטרון להליום -4, ליצירת הליום -5 או ליתיום -5, תגרום לאחד להתפרק תוך פחות מ -21-21 שניות.
  • הוספת שני גרעיני הליום -4 יחד, ליצירת בריליום 8, מביאה לדעיכה בקצת פחות מ- 10–16 שניות.

ללא צעד טוב במסה חמש או שמונה, נראה כי אין דרך טובה להתקדם הלאה. לא הייתה שום דרך, למשל, ניתן היה להרכיב פחמן, במיוחד בתקופה המוגבלת שהיקום היה הכי חם שלה. כשחשבתם על אלמנטים גבוהים יותר וכבדים יותר, הבעיה רק ​​הלכה והפכה קשה יותר. סולם נוקליוזינתזה המפץ הגדול חסרה בכך את פעולות המפתח שנגזרו עליו כתיאור מלא של כל הטבלה המחזורית.

השפע החזוי של הליום -4, דויטריום, הליום -3 וליתיום -7 כפי שחזה נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול, עם תצפיות המוצגות במעגלים האדומים. למרות שחלק מהאלמנטים בנויים על ידי המפץ הגדול, רוב הטבלה המחזורית אינה. קרדיט תמונה: צוות המדע של NASA / WMAP.

הייל, בינתיים, העלה השערה משלו כי כל היסודות הגבוהים מעבר להליום יוצרו בכוכבי ענק אדומים. במהלך עשור, מאמצע שנות הארבעים ועד אמצע שנות החמישים, החל לשקול סוגים שונים של תהליכים גרעיניים שיכולים לבנות את היסודות הגבוהים יותר, כמו פחמן, חנקן וחמצן בתוך ליבות כוכביות לוהטות. אלה ידרשו טמפרטורות גבוהות ביותר שנשמרו לאורך תקופות ארוכות.

בקלטק הקים CC (צ'ארלס כריסטיאן) לוריצ'ן, פיזיקאי גרעיני דני, מרכז מבנה גרעיני רב עוצמה בשם מעבדת הקרינה WK קלוג. חוקרים שם בשנות החמישים כללו את סטודנט הבוגר של לוריצ'ן וויליאם פאולר, ובנו של לוריצ'ן תומאס, פיזיקאי מוכשר בפני עצמו. המעבדה התייחסה לשימוש במאיצי חלקיקים בכדי להאיץ ולהטיל חלקיקים לעבר מטרות גרעיניות, וגרמו במקרים מסוימים לשידור.

ווילי פאולר במעבדת הקרינה WK קלוג בקלטק, שאישרה את קיומה של מדינת הויל ואת התהליך המשולש-אלפא. קרדיט תמונה: ארכיון קלטק.

בויל, שנמשך על ידי יכולתו של מעבדת קלוג, סידר ביקורים ארוכים רבים בקלטק, החל משנת 1953. עם הגעתו למעבדה, אתגר מיד את החוקרים לחקור את השערתו לגבי מצב נרגש של פחמן -12 שהיה לאורך זמן. צעד חיוני בגרעין הכוכבים. פאולר, שני הלוריסטנים, ופיזיקאי נוסף בשם CW Cook, התכוונו למצוא את המדינה ההיא והצליחו בקרוב מאוד לייצר אותה. זה התחיל שיתוף פעולה משתלם מאוד בין הויל, פאולר ואחרים. אליהם הצטרף במהרה צוות אשתו ובעלה של האסטרונומים הבריטיים א 'מרגרט וג'פרי בורברידג', שעבדו עם הויל בקיימברידג '.

מרגרט וג'פרי בורברידג ', חלוצים בתחום נוקלאוזינתזה מהממים. קרדיט תמונה: ארכיון קלטק.

ב- 30 בדצמבר 1956, עבודות ההעברה האלמנטית בקלוג, הכוללות הפצצת פחמן באמצעות דאוטרונים, הוצגו בניו יורק טיימס כראיה לתיאוריה של סטיידי סטייט לעומת המפץ הגדול. בהתייחסו לנאום שנשא תומאס לוריצין בישיבה השנתית של החברה הפיזיקלית האמריקאית באותה שנה, נכתב בכותרת "הפיזיקאי גורם הליום של פחמן; ההעברה נשמרת כמסייעת להסביר את מקור היקום; תיאוריה של 'המפץ הגדול'. "

הכותרות המודיעות על הצלחתה של נוקלאוזינתזה מהממים ... ועליית תחזיות אלפא-בטא-גמא של יסודות כבדים יותר. קרדיט תמונה: ניו יורק טיימס.

פחות משנה לאחר מכן, ב- 1 באוקטובר 1957, פרסמו שני הבורברידג'ס, פאולר והויל (B²FH) בסקירות הפיזיקה המודרנית את עבודת הסמינר "סינתזה של האלמנטים בכוכבים". על פי המומחיות התיאורטית של הויל, הידע התצפיתי של הבורברידג'ס והיכולות הניסויית של פאולר (שהוא הרים בחלקו מ- CC Lauritsen), העיתון היווה ביטוי מבריק של אופן בניית האלמנטים, וחילק אותם לתהליכים שונים, החל משריפת מימן ושריפת הליום, והמשך לתהליכים המכונים "s" (לכידת נויטרונים איטית), "r" (לכידת נויטרונים מהירה) ו- "p" (לכידת פרוטון) הכוללים אלמנטים גבוהים יותר.

הדרכים לבניית אלמנטים - יציבים ובלתי יציבים - החל מהגרעין בכוכבים. קרדיט תמונה: Woosley, Arnett and Clayton (1974), Astrophysical Journal.

הם הראו כיצד כוכבים מזדקנים שהיו מסיביים מספיק, כמו ענקים אדומים וסופר-ענקים, יכלו למצוא את זה ריאלי מבחינה אנרגטית ליצור את כל האלמנטים עד הברזל בגרעינים שלהם. ניתן לייצר את האלמנטים הגבוהים עוד יותר בתנאים קיצוניים של פיצוץ סופרנובה, עליהם ישוחרר מכלול האלמנטים המלא לחלל.

שריד סופרנובה לא רק מגרש יסודות כבדים שנוצרו בפיצוץ חזרה ליקום, אלא שניתן לאתר את נוכחותם של אותם יסודות מכדור הארץ. קרדיט תמונה: מצפה רנטגן של נאס

המגבלה העיקרית של המאמר המצטיין אחרת הייתה כישלונו לחזות את כמות ההליום העצומה בחלל. למרות שכל הכוכבים ממזגים מימן להליום, הם רק היו יוצרים יקום שהיה, באופן המוני, פחות מ -5% הליום כיום. עם זאת אנו צופים ביקום שיותר מ 25% ממסתו היא הליום. כדי לייצר אחוז זה, התברר כי המפץ הגדול הלוהט היה נחוץ. ההתאמה ההדוקה של תחזיות המפץ הגדול ביחס מימן-הליום בפועל, כמו גם התגלית של ארנו פנציאס ורוברט ווילסון מ -1965 מהקרינת הרקע הקוסמית, ה"סינון "של הקרינה מהיקום המוקדם, מרתק את המיינסטרים התמיכה של האסטרונומים במפץ הגדול על מדינת היציבות.

באמצע שנות השישים של המאה העשרים הייל והבורברידג 'הורידו את התיאוריה המקורית של סטיידי סטייט, אך יחד עם סטודנטו של הויל ג'ייאנט נרליקאר פיתחו אלטרנטיבה עם "פוני קטן" שנקרא המצב המעין יציב. עד מותו בשנת 2001 המשיך הויל לאמץ את התיאוריה ההיא. בעוד שפולר זכה בפרס נובל על מחקריו הגרעיניים בכלל, ניתן לטעון כי הויל והבורברידג 'קיבלו מעט קרדיט על תרומתם הזרעית.

בשנת 2007, יחד עם וירג'יניה טרימבל, עזרתי לארגן מושב בישיבה של החברה הפיזיקלית האמריקאית לכבוד חגיגות 50 שנה לעיתון B²FH. ג'פרי בורברידג ', אז באותה תקופה במצב בריאותי לקוי, נעזר באחות, והיה מרותק לכיסא גלגלים, נכח ונשא דברים. אולם רוחו וקולו היו חזקים כתמיד. אני זוכר שהוא מדבר על כך שאנשי המפץ הגדול הם כמו למים חסרי דעת בעקבות המנהיג שלהם מעל צוק. הוא נפטר פחות משלוש שנים לאחר מכן.

כיום מרגרט בורברידג ', בגיל 97, היא הסופרת היחידה בעיתון שעדיין חי, כאשר אנו מציינים את יום השנה ה -60 לחייו. בואו נרים כוסית לפרופ 'בורברידג' ועמיתיה המנוחים, בחגיגה לרגע שהאנושות הבינה שהוא עשוי מחומר כוכבים!

Starts With A Bang מבוסס בפורבס, פורסם מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. הזמינו את ספרו הראשון של איתן, מעבר לגלקסיה, והזמינו מראש את ספרו הבא, טרקנולוגיה: מדע מסע הכוכבים מטריקוורסדס ועד כונן עיוות!