Ánh sáng của Mặt trời là do phản ứng tổng hợp hạt nhân, chủ yếu chuyển đổi hydro thành helium. Tuy nhiên, các ngôi sao có thể trải qua các quá trình tiếp theo, tạo ra các yếu tố nặng hơn thế nhiều. Tín dụng hình ảnh: NASA / SDO.

60 năm của Star Star

Làm thế nào nhân loại phát hiện ra các yếu tố của chúng ta đến từ đâu.

Bài viết này được viết bởi nhà vật lý Paul Halpern thuộc Đại học Khoa học Pennsylvania. Paul là tác giả của cuốn sách mới Mê cung lượng tử: Cách Richard Feynman và John Wheeler cách mạng hóa thời gian và hiện thực.

Bạn không thể ở đây nếu các ngôi sao không nổ tung, bởi vì các nguyên tố - carbon, nitơ, oxy, sắt, tất cả những thứ quan trọng cho sự tiến hóa và cho sự sống - không được tạo ra vào đầu thời gian. Chúng được tạo ra trong các lò hạt nhân của các ngôi sao và cách duy nhất để chúng xâm nhập vào cơ thể bạn là nếu những ngôi sao đó đủ tử tế để nổ tung ra trò chơi -Lawrence Krauss

Trong khoa học, bạn không cần phải làm mọi thứ đúng để có được những điều đáng kinh ngạc nhất. Đôi khi những ý tưởng tốt xuất hiện từ một mô hình thất bại. Một ví dụ tuyệt vời của cả hai là bài viết tổng hợp hạt nhân đột phá (tạo ra các hạt nhân phức tạp từ những cái đơn giản hơn), xuất bản năm 1957, được gọi đơn giản là B2FH, sau tên viết tắt của bốn tác giả. Lần đầu tiên, nó đưa ra một mô hình thành công của sự hình thành nguyên tố. Nó được thiết kế để tránh sự cần thiết của Big Bang và để hỗ trợ một lời giải thích khác gọi là lý thuyết trạng thái ổn định. Ngày nay, trong khi lý thuyết Nhà nước ổn định là một di tích của quá khứ, thì quá trình tổng hợp hạt nhân bổ sung cho lý thuyết Big Bang trong một giải thích thành công, toàn diện về cách tất cả các yếu tố trong vũ trụ được xây dựng từ các hạt cơ bản.

Có một sự thật gây tò mò trong lịch sử là lần đầu tiên một nhà thiên văn học sử dụng thuật ngữ Đá Lớn Bang để mô tả các giai đoạn đầu của Vũ trụ, ông có nghĩa là nó bị chế giễu. Nhà nghiên cứu Cambridge, Fred Hoyle (người viết trên tờ nhật báo), người đã đặt ra biểu hiện trong một cuộc phỏng vấn trên đài phát thanh BBC năm 1948, đã nghĩ rằng ý tưởng về tất cả các vấn đề trong vũ trụ xuất hiện cùng một lúc, giống như sự bùng nổ bất ngờ của một piñata vũ trụ khổng lồ, để được tự tin vô lý.

Fred Hoyle là một người thường xuyên trên các chương trình phát thanh của BBC trong những năm 1940 và 1950, và là một trong những nhân vật có ảnh hưởng nhất trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân. Tín dụng hình ảnh: Công ty phát thanh truyền hình Anh.

Trong khi anh tin vào một vũ trụ đang mở rộng, anh nghĩ rằng nó sẽ tồn tại mãi mãi trong Trạng thái gần như ổn định, với một dòng chảy chậm của vật chất mới lấp đầy các khoảng trống - tương tự như một thợ may thêm nút mới vào bộ đồ thay đổi cho một đứa trẻ đang lớn.

Trong Vụ nổ lớn, Vũ trụ giãn nở khiến vật chất bị loãng theo thời gian, trong khi trong Lý thuyết trạng thái ổn định, việc tạo ra vật chất liên tục đảm bảo rằng mật độ không đổi theo thời gian. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel.

Một trong những vấn đề chính với sơ đồ trạng thái ổn định của Hoyle, được hợp tác phát triển với Thomas Gold và Herman Bondi, là giải thích làm thế nào các hạt cơ bản lạnh lẽo dần dần ngấm vào không gian có thể biến đổi thành các nguyên tố cao hơn. Trong lĩnh vực đó, lý thuyết Big Bang, lúc đầu, tuyên bố có tất cả các câu trả lời. George Gamow, cùng với học sinh của mình, Ralph Alpher, đã cố gắng giải thích toàn bộ quá trình tạo nguyên tố thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang. Đó là, họ lập luận rằng vạc lửa của Big Bang đã giả mạo tất cả các nguyên tố hóa học tự nhiên, từ hydro lên qua uranium, từ các khối xây dựng proton và neutron đơn giản hơn. Họ đã xuất bản công trình của họ trong một bài báo quan trọng Xuất xứ của các nguyên tố hóa học, xuất hiện vào tháng 4 năm 1948.

George Gamow, đứng (với ống) ở bên phải, trong Phòng thí nghiệm Bragg năm 1930/1931. Tín dụng hình ảnh: Serge Lachinov.

Gamow có khiếu hài hước tuyệt vời và thích chơi những trò đùa thực tế. Lưu ý rằng tên của Alpher và tên của anh ấy giống như chữ cái đầu tiên và thứ ba của bảng chữ cái Hy Lạp, alpha và gamma, khi anh ấy nộp bài báo, anh ấy đã quyết định thêm tên của nhà vật lý Hans Bethe, nghe giống như beta, là tác giả thứ hai. Bethe gần như không có gì để làm với bài báo. Tuy nhiên, anh ta là một chuyên gia về tổng hợp hạt nhân, vì vậy ý ​​tưởng này không điên rồ như nó nghe. Do đó, bài báo chuyên đề được gọi chung là bài báo alpha-beta-gamma. (Khi một sinh viên tốt nghiệp khác là Robert Herman gia nhập đội, Gamow đã nói đùa rằng anh ta đổi tên thành Del Delter, chỉ để phù hợp với.)

Bài báo nổi tiếng Alpher-Bethe-Gamow năm 1948, trong đó nêu chi tiết một số điểm tốt hơn của quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang. Các yếu tố ánh sáng đã được dự đoán chính xác; các yếu tố nặng thì không. Tín dụng hình ảnh: Đánh giá vật lý (1948).

Tự hào về cách chơi chữ thông minh cũng như ý tưởng mới lạ của mình, Gamow đã gửi một bản sao của bài báo cho người bạn của mình là nhà vật lý người Thụy Điển Oskar Klein, khuyên anh ta về tầm quan trọng của nó. Có vẻ như bài báo 'bảng chữ cái' này có thể đại diện cho alpha đến omega của sản xuất nguyên tố, ông Gam Gamow viết. "Bạn thích nó như thế nào?" Klein sau đó trả lời:

Cảm ơn bạn rất nhiều vì đã gửi cho tôi giấy bảng chữ cái quyến rũ của bạn. Tuy nhiên, bạn có cho phép tôi có một số nghi ngờ về việc đại diện cho 'alpha đến omega của sản xuất nguyên tố'. Theo như gamma, tôi đồng ý hoàn toàn với bạn và rằng sự khởi đầu sáng sủa này thực sự có triển vọng nhất, nhưng về sự phát triển hơn nữa tôi thấy khó khăn.

Thật vậy, phản ứng của Klein là thích hợp. Bài báo alpha-beta-gamma chỉ có thể giải thích theo nghĩa đen của ba nguyên tố đầu tiên: hydro, heli và (ở một mức độ hạn chế) lithium. Chúng có thể được xây dựng từng bước, giống như các nấc thang, bằng cách thêm một proton, neutron hoặc deuteron (tổ hợp proton-neutron) để tăng lên đồng vị tiếp theo. Ngoài việc sản xuất lithium còn có một vấn đề nghiêm trọng: không có đồng vị ổn định nào về khối lượng nguyên tử (tổng số proton cộng với neutron) năm hoặc tám!

  • Thêm một proton hoặc neutron vào helium-4, để tạo ra helium-5 hoặc lithium-5, sẽ khiến một trong hai bị phân rã trong chưa đầy 10 trận21 giây.
  • Thêm hai hạt nhân helium-4 lại với nhau, để tạo ra beryllium-8, dẫn đến sự phân rã chỉ trong vòng dưới 10 trận16 giây.

Không có một bước tốt trong khối năm hoặc tám, dường như không có cách nào tốt để tiến xa hơn. Chẳng có cách nào, chẳng hạn, carbon có thể được lắp ráp, đặc biệt là trong thời gian giới hạn vũ trụ đang ở mức nóng nhất. Khi bạn nghĩ về các yếu tố thậm chí cao hơn, nặng hơn, vấn đề chỉ trở nên khó khăn hơn. Do đó, thang tổng hợp hạt nhân Big Bang đã thiếu các nấc thang quan trọng khiến nó trở thành một mô tả đầy đủ của toàn bộ bảng tuần hoàn.

Sự phong phú dự đoán của helium-4, deuterium, helium-3 và lithium-7 như dự đoán của quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang, với các quan sát thể hiện trong các vòng tròn màu đỏ. Mặc dù một số yếu tố được xây dựng bởi Big Bang, nhưng hầu hết các bảng tuần hoàn thì không. Tín dụng hình ảnh: nhóm khoa học NASA / WMAP.

Hoyle, trong khi đó, đưa ra giả thuyết của riêng mình rằng tất cả các nguyên tố cao hơn ngoài helium đều được tạo ra trong các ngôi sao khổng lồ đỏ. Trong suốt một thập kỷ, từ giữa những năm 1940 đến giữa những năm 1950, ông bắt đầu xem xét các loại quy trình hạt nhân khác nhau có thể tạo ra các nguyên tố cao hơn, như carbon, nitơ và oxy trong các lõi sao bốc lửa. Những điều này đòi hỏi nhiệt độ cao vô cùng duy trì trong thời gian dài.

Tại Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, nhà vật lý hạt nhân người Đan Mạch, đã thành lập một trung tâm cấu trúc hạt nhân mạnh mẽ được gọi là Phòng thí nghiệm bức xạ WK Kellogg. Các nhà nghiên cứu ở đó trong những năm 1950 bao gồm sinh viên tốt nghiệp của Lauritsen, William Fowler, và con trai của Lauritsen, Thomas, một nhà vật lý tài ba theo đúng nghĩa của mình. Phòng thí nghiệm trở nên nổi bật với việc sử dụng máy gia tốc hạt để tăng tốc và ném các hạt về phía mục tiêu hạt nhân, gây ra một số trường hợp biến đổi.

Willie Fowler trong Phòng thí nghiệm bức xạ WK Kellogg tại Caltech, nơi đã xác nhận sự tồn tại của Nhà nước Hoyle và quá trình ba-alpha. Tín dụng hình ảnh: Lưu trữ Caltech.

Bị thu hút bởi khả năng của Phòng thí nghiệm Kellogg, Hoyle đã sắp xếp nhiều chuyến thăm dài tới Caltech, bắt đầu vào năm 1953. Khi đến phòng thí nghiệm, ông ngay lập tức thách thức các nhà nghiên cứu điều tra giả thuyết về trạng thái kích thích carbon tồn tại lâu dài của nó. một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp hạt nhân. Fowler, hai Lauristens và một nhà vật lý khác tên CW Cook đã lên đường tìm ra trạng thái đó và quản lý rất nhanh để sản xuất nó. Điều đó đã bắt đầu một sự hợp tác sinh lợi cao giữa Hoyle, Fowler và những người khác. Họ sớm được tham gia bởi nhóm vợ và chồng của các nhà thiên văn học người Anh E. Margaret và Geoffrey Burbidge, người đã làm việc với Hoyle tại Cambridge.

Margaret và Geoffrey Burbidge, những người tiên phong trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân. Tín dụng hình ảnh: Lưu trữ Caltech.

Vào ngày 30 tháng 12 năm 1956, công việc chuyển đổi nguyên tố tại Kellogg, liên quan đến việc bắn phá carbon bằng deuteron, đã được đăng trên Thời báo New York để làm bằng chứng cho lý thuyết Nhà nước Steady trái ngược với Vụ nổ lớn. Đề cập đến một cuộc nói chuyện của Thomas Lauritsen tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ năm đó, tiêu đề của nó, Nhà vật lý học tạo ra Helium of Carbon; Biến đổi được ca ngợi là giúp giải thích nguồn gốc của vũ trụ; Lý thuyết 'Big Bang' Hit.

Các tiêu đề công bố sự thành công của sự tổng hợp hạt nhân sao và sự gia tăng của các dự đoán alpha-beta-gamma của các yếu tố nặng hơn. Tín dụng hình ảnh: Thời báo New York.

Chưa đầy một năm sau, vào ngày 1 tháng 10 năm 1957, hai Burbidges, Fowler và Hoyle (B²FH) đã xuất bản trên Tạp chí Vật lý hiện đại, bài viết chuyên đề về tổng hợp các yếu tố trong các ngôi sao. Dựa trên chuyên môn lý thuyết của Hoyle, bí quyết quan sát của Burbidges và năng lực thử nghiệm của Fowler (mà anh ta nhặt được một phần từ CC Lauritsen), bài báo là một giải thích tuyệt vời về cách các yếu tố được xây dựng, chia chúng thành các quá trình khác nhau, bắt đầu với quá trình đốt cháy hydro và đốt cháy heli, và tiếp tục các quá trình được gọi là quy trình (s bắt giữ neutron chậm), quá trình bắt giữ neutron (bắt neutron nhanh) và các quá trình bắt giữ liên quan đến các yếu tố cao hơn.

Các cách để xây dựng các yếu tố - ổn định và không ổn định - từ quá trình tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao. Tín dụng hình ảnh: Woosley, Arnett và Clayton (1974), Tạp chí Vật lý thiên văn.

Họ đã cho thấy những ngôi sao già đủ lớn như Red Giants và Supergiants có thể tìm thấy khả thi về mặt năng lượng để tạo ra tất cả các nguyên tố lên đến sắt trong lõi của chúng. Các yếu tố thậm chí cao hơn có thể được tạo ra trong điều kiện khắc nghiệt của vụ nổ siêu tân tinh, theo đó toàn bộ các yếu tố sẽ được phát hành vào không gian.

Một tàn dư siêu tân tinh không chỉ trục xuất các nguyên tố nặng được tạo ra trong vụ nổ trở lại Vũ trụ, mà sự hiện diện của các nguyên tố đó có thể được phát hiện từ Trái đất. Tín dụng hình ảnh: Đài quan sát tia X của NASA / Chandra.

Hạn chế chính của bài báo nổi bật khác là không dự đoán được lượng helium khổng lồ trong không gian. Mặc dù tất cả các ngôi sao hợp nhất hydro thành helium, nhưng chúng sẽ chỉ tạo ra một Vũ trụ, với khối lượng, dưới 5% helium ngày nay. Tuy nhiên, chúng tôi quan sát một vũ trụ trong đó hơn 25% khối lượng của nó là helium. Để tạo ra tỷ lệ phần trăm đó, Big Bang nóng bỏng hóa ra là cần thiết. Sự kết hợp chặt chẽ giữa các dự đoán của Big Bang với tỷ lệ hydro-heli thực tế, cũng như phát hiện năm 1969 của Arno Penzias và Robert Wilson về bức xạ nền vũ trụ, bức xạ làm mát của bức xạ vũ trụ từ vũ trụ sơ khai sự ủng hộ của các nhà thiên văn học về Vụ nổ lớn đối với Nhà nước ổn định.

Vào giữa những năm 1960, Hoyle và Burbidges đã bỏ lý thuyết Nhà nước ổn định ban đầu, nhưng cùng với học sinh của Hoyle, Jayant Narlikar đã phát triển một giải pháp thay thế với bangs bangs nhỏ được gọi là trạng thái ổn định. Cho đến khi qua đời vào năm 2001, Hoyle tiếp tục nắm lấy lý thuyết đó. Trong khi Fowler giành giải thưởng Nobel cho nghiên cứu hạt nhân nói chung, có thể nói Hoyle và Burbidges đã nhận được tương đối ít tín dụng cho những đóng góp tinh túy của họ.

Vào năm 2007, cùng với Virginia Trimble, tôi đã giúp tổ chức một phiên họp tại một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ để vinh danh kỷ niệm 50 năm của bài báo B²FH. Geoffrey Burbidge, khi đó có sức khỏe kém, được một y tá giúp đỡ và giam cầm trên xe lăn, tham dự và nói chuyện. Tuy nhiên, tinh thần và giọng nói của anh mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Tôi nhớ lại anh ta nói về những người Big Bang giống như những người dốt nát vô tâm đi theo nhà lãnh đạo của họ trên một vách đá. Ông chết chưa đầy ba năm sau đó.

Hôm nay Margaret Burbidge, ở tuổi 97, là tác giả duy nhất của bài báo còn sống, khi chúng ta kỷ niệm 60 năm. Chúng ta hãy nâng ly chúc mừng Giáo sư Burbidge và các đồng nghiệp quá cố của cô ấy, để kỷ niệm khoảnh khắc mà loài người nhận ra rằng nó được làm từ những thứ sao!

Starts With A Bang có trụ sở tại Forbes, được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Đặt mua cuốn sách đầu tiên của Ethan, Beyond The Galaxy, và đặt trước cuốn tiếp theo của mình, Treknology: The Science of Star Trek từ Tricnings đến Warp Drive!