太陽の光は核融合によるもので、主に水素をヘリウムに変換します。 ただし、星はさらにプロセスを経て、それよりもはるかに重い要素を作成する可能性があります。 画像クレジット:NASA / SDO。

スタースタッフの60年

人類がどのようにして私たちの要素がどこから来ているのかを発見しました。

この記事は、ペンシルベニアの科学大学の物理学者ポール・ハルパーンによって書かれました。 ポールは、新しい本 『The Quantum Labyrinth:How Richard Feynman and John Wheeler Revolutionized Time and Reality』の著者です。

「星が爆発しなければ、ここにいることはできませんでした。炭素、窒素、酸素、鉄など、進化と生命にとって重要なすべての要素が、当初は作成されていなかったためです。 それらは星の核炉で作られました、そしてそれらがあなたの体に入る唯一の方法はそれらの星が爆発するのに十分親切であったかどうかです…」-ローレンス・クラウス

科学では、最も驚くべきことを正しくするために、すべてを正しく行う必要はありません。 時々、失敗したパラダイムから良いアイデアが生まれます。 両方の優れた例は、4人の著者のイニシャルの後、1957年に出版され、B2FHとして知られる画期的な恒星元素合成論文(単純なものからの複雑な核の作成)です。 初めて、それは要素形成の成功したモデルを提供しました。 ビッグバンの必要性を回避し、定常状態理論と呼ばれる別の説明をサポートするように設計されました。 今日、定常状態理論は過去の遺物ですが、恒星元素合成はビッグバン理論を補完し、宇宙のすべての要素が素粒子からどのように構築されたかについての包括的な説明が成功しています。

天文学者が初めて宇宙の初期段階を記述するために「ビッグバン」という用語を使用したとき、彼は歴史の奇妙な事実ですが、彼はそれをひどく意味しました。 1948年のBBCラジオインタビューでこの表現を作り出したケンブリッジの研究者、フレッドホイル(要旨の紙の「H」)は、宇宙のすべての問題が突然出現するような、宇宙にあるすべての問題の考えを思いつきました。明らかにばかげている。

フレッド・ホイルは、1940年代と1950年代のBBCラジオ番組の常連であり、恒星元素合成の分野で最も影響力のある人物の1人でした。 画像クレジット:British Broadcasting Company。

彼は拡大する宇宙を信じていたが、ほぼ同じ定常状態で永遠に続くだろうと考えていた。隙間を埋めるのに新鮮な物質がゆっくりと流れ、仕立て屋が成長する子供のために変更されたスーツに新しいボタンを追加するのと同じだ。

ビッグバンでは、拡大する宇宙によって物質が時間とともに希釈されますが、定常状態理論では、物質の作成を継続することにより、密度が時間とともに一定に保たれます。 画像クレジット:E. Siegel。

トーマスゴールドやハーマンボンディと共同で開発したホイルの定常状態スキームの主な問題の1つは、冷たい素粒子が徐々に空間に浸透して、より高い元素に変化することを説明することでした。 その領域では、ビッグバン理論は最初、すべての答えを持っていると主張しました。 ジョージガモフは、学生のラルフアルファーと一緒に、ビッグバン元素合成による元素生成の全体を説明すると主張しました。 つまり、ビッグバンの火のついた大釜は、水素からウランに至るまで、より単純な陽子と中性子のビルディングブロックからすべての自然の化学元素を鍛造したと主張しました。 彼らは、1948年4月に掲載された主要論文「化学元素の起源」で彼らの業績を発表しました。

1930/1931年にブラッグ研究所で(パイプを使って)右側に立っているジョージガモフ。 画像クレジット:Serge Lachinov。

ガモフは素晴らしいユーモアのセンスがあり、実用的なジョークをするのが大好きでした。 アルファーの名前と彼の名前がギリシャ語のアルファベットのアルファとガンマの最初と3番目の文字に似ていたことに注目して、論文を提出したとき、彼は物理学者のハンスベーテの名前を追加した。 ベテは紙とはほとんど関係がありませんでした。 しかし、彼は元素合成の専門家だったので、そのアイデアは思ったほどクレイジーではありませんでした。 したがって、精力的な記事は、一般的にアルファ-ベータ-ガンマ紙として知られています。 (別の大学院生のロバートハーマンがチームに参加したとき、ガモフは冗談で彼の名前を「デルター」に変更することを提案しました。

1948年の有名なAlpher-Bethe-Gamowの論文。ビッグバン元素合成の細かい点のいくつかが詳述されています。 軽元素は正しく予測されました。 重い要素はそうではありませんでした。 画像クレジット:Physical Review(1948)。

巧妙な言葉遊びと斬新なアイデアを誇りに思うガモウは、紙のコピーを友人のスウェーデンの物理学者オスカークラインに送り、その重要性を伝えました。 「この「アルファベット順」の記事は、元素生産のアルファからオメガを表しているようです」とガモフは書いている。 "いかがですか?" クラインはそれから答えた:

「魅力的なアルファベット順の紙を送ってくれてありがとう。 しかし、それが「要素生成のアルファからオメガ」を表すことについて、いくつかの疑問を抱かせてください。 ガンマに関する限り、もちろん私はあなたと完全に同意します。この明るい始まりは確かに最も有望に見えますが、今後の開発に関しては困難を感じています。」

確かに、クラインの反応は適切でした。 alpha-beta-gamma論文は、最初の3つの要素、つまり水素、ヘリウム、および(限られた範囲で)リチウムのみを文字通り説明できます。 これらは、はしごの横木と同様に、陽子、中性子、または重陽子(陽子と中性子の組み合わせ)を追加して次の同位体に上昇させることによって、段階的に構築できます。 リチウムの生成以外にも致命的な問題がありました。原子質量(陽子と中性子の合計)が5または8の安定同位体はありませんでした。

  • 陽子または中性子のいずれかをヘリウム4に追加して、ヘリウム5またはリチウム5を作成すると、どちらか一方が10〜21秒未満で崩壊します。
  • 2つのヘリウム4原子核を一緒に追加してベリリウム8を作成すると、10〜16秒弱で崩壊します。

質量5または8の適切なステップがないと、さらに先へ進むための良い方法はないようです。 たとえば、特に宇宙が最も暑い限られた時間に、カーボンを組み立てることはできませんでした。 さらに高い、より重い要素について考えたとき、問題はさらに難しくなりました。 ビッグバン元素合成のはしごには、周期表全体の完全な説明として運命づけられた主要な横線がありませんでした。

ビッグバン元素合成によって予測されたヘリウム4、重水素、ヘリウム3、リチウム7の予測される存在量。観測は赤い円で示されています。 いくつかの元素はビッグバンによって構築されていますが、ほとんどの周期表はそうではありません。 画像クレジット:NASA / WMAP科学チーム。

一方、ホイルは、ヘリウム以外のすべての高次元素が赤い巨大星で生成されたという彼自身の仮説を発表しました。 1940年代半ばから1950年代半ばまでの10年間で、彼は、火のような恒星コアの炭素、窒素、酸素などのより高い元素を蓄積する可能性のあるさまざまな種類の核プロセスを検討し始めました。 これらは、長期間維持される非常に高い温度を必要とします。

カルテックでは、デンマークの核物理学者であるCC(Charles Christian)Lauritsenが、WKケロッグ放射線研究所と呼ばれる強力な核構造センターを設立しました。 1950年代にそこにいた研究者には、ローリッセンの大学院生であるウィリアムファウラーと、ローリッセンの息子であり、物理学者としての才能がありました。 研究室は、粒子加速器を使用して粒子を加速させ、核標的に向けて投げつけ、場合によっては核変換を引き起こすことで差別化されました。

カルテックのWKケロッグ放射線研究所のウィリーファウラーは、ホイル州とトリプルアルファプロセスの存在を確認しました。 画像クレジット:Caltech Archives。

ケロッグ研究所の能力に引かれて、ホイルは1953年からカルテックへの多数の長期訪問を手配しました。研究所に到着すると、彼はすぐに研究者に、炭素12の長寿命励起状態の仮説を調査するように要求しました。恒星元素合成における重要なステップ。 ファウラー、2人のローリステン、およびCWクックという名前の別の物理学者は、その状態を見つけようと試み、非常にまもなくそれを生成するために管理しました。 これにより、ホイル、ファウラーなどの間で非常に有利なコラボレーションが始まりました。 彼らはすぐにケンブリッジでホイルと一緒に働いていたイギリスの天文学者E.マーガレットとジェフリー・バービッジの妻と夫のチームに加わりました。

マーガレットとジェフリー・バービッジは、恒星元素合成の分野のパイオニアです。 画像クレジット:Caltech Archives。

1956年12月30日、炭素を重陽子で爆撃することを含む、ケロッグでの元素変換作業は、ビッグバンとは対照的に定常状態理論の証拠としてニューヨークタイムズで取り上げられました。 その年のアメリカ物理学会年次総会でトーマス・ローリッセンが行った講演に言及して、その見出しは次のように書いた。「物理学者は炭素のヘリウムを作る。 核変換は宇宙の起源を説明するのに役立つとされている。 「ビッグバン」理論のヒット。」

恒星元素合成の成功を発表する見出し…そしてより重い元素のアルファ-ベータ-ガンマ予測の上昇。 画像クレジット:New York Times。

1年も経たない1957年10月1日、2つのBurbidges、Fowler、およびHoyle(B²FH)が、Reviews of Modern Physicsのセミナーペーパー「星の元素の合成」を発表しました。 ホイルの理論的専門知識、バービッジズの観察ノウハウ、およびファウラーの実験的能力(彼がCCローリッセンから部分的に取り上げた)を利用して、この論文は、要素がどのように構築され、これらを異なるプロセスに分割するかについての見事な説明でした。水素燃焼とヘリウム燃焼から始まり、より高い元素が関与するいわゆる「s」(遅い中性子捕獲)、「r」(高速中性子捕獲)、および「p」(陽子捕獲)プロセスに続きます。

星の元素合成から要素を安定させる方法と不安定にする方法。 画像クレジット:Woosley、ArnettおよびClayton(1974)、Astrophysical Journal。

彼らは、レッドジャイアンツやスーパージャイアントなどの非常に大規模な老化した星が、コアまで鉄分まですべての元素を生成することがエネルギー的に実現可能であることをどのように見つけることができるかを示しました。 さらに高い元素は、超新星爆発の極限状態で生成され、その上で元素の全範囲が宇宙に放出されます。

超新星残骸は、爆発で作成された重い元素を宇宙に放出するだけでなく、それらの元素の存在を地球から検出できます。 画像クレジット:NASA /チャンドラX線天文台。

さもなければ傑出した記事の主な制限は、宇宙での大量のヘリウムを予測できないことでした。 すべての星は水素をヘリウムに融合しますが、今日では質量で5%未満のヘリウムである宇宙を作成するだけです。 しかし、質量の25%以上がヘリウムである宇宙を観測しています。 そのパーセンテージを生み出すには、ホットなビッグバンが必要であることがわかりました。 ビッグバンの予測と実際の水素対ヘリウム比の密接な一致、およびアルノペンジアスとロバートウィルソンによる宇宙背景放射の1965年の発見、初期宇宙からの放射の冷やされた「ヒス」、主流の結合天文学者による定常状態に対するビッグバンのサポート。

1960年代半ばに、ホイルとバービッジは元の定常状態理論を廃止しましたが、ホイルの学生であるジェイアントナルリカーとともに、準定常状態と呼ばれる「少し前髪」を備えた代替案を開発しました。 ホイルは2001年に亡くなるまで、その理論を採用し続けました。 ファウラーが核研究全般でノーベル賞を受賞した一方で、おそらくホイルとバービッジは、彼らの独創的な貢献に対して比較的少ない功績を挙げたに違いない。

2007年には、バージニアトリンブルと一緒に、B²FH論文の50周年を記念して、American Physical Societyミーティングでのセッションの企画を手伝いました。 それまでに健康状態が悪く、看護師の助けを借りて車椅子に監禁されたジェフリーバービッジが出席し、講演を行いました。 しかし、彼の精神と声は相変わらず強いものでした。 私は彼がビッグバンの人々が崖を越えて彼らの指導者に続く無知なレミングのようなものであったことについて話していたことを思い出します。 彼は3年も経たないうちに亡くなりました。

今日、マーガレットバービッジは97歳で、創立60周年を記念して、まだ生きているこの論文の唯一の著者です。 人類が星でできていることに気付いた瞬間を祝して、バービッジ教授と亡くなった同僚たちに乾杯しましょう。

Starts With A BangはForbesを拠点としており、PatreonサポーターのおかげでMediumに再掲載されています。 イーサンの最初の本「Beyond The Galaxy」を注文し、彼の次の本「Treknology:The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive」を事前注文してください!