Das Sonnenlicht ist auf die Kernfusion zurückzuführen, die hauptsächlich Wasserstoff in Helium umwandelt. Sterne können jedoch weiteren Prozessen unterliegen und viel schwerere Elemente erzeugen. Bildnachweis: NASA / SDO.

60 Jahre Starstuff

Wie die Menschheit entdeckte, woher unsere Elemente kommen.

Dieser Artikel wurde vom Physiker Paul Halpern von der Universität der Wissenschaften in Pennsylvania verfasst. Paul ist Autor des neuen Buches The Quantum Labyrinth: Wie Richard Feynman und John Wheeler Zeit und Realität revolutionierten.

„Sie könnten nicht hier sein, wenn die Sterne nicht explodiert wären, weil die Elemente - Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Eisen, all die Dinge, die für die Evolution und das Leben wichtig sind - zu Beginn der Zeit nicht geschaffen wurden. Sie wurden in den Atomöfen der Sterne geschaffen, und die einzige Möglichkeit für sie, in Ihren Körper zu gelangen, besteht darin, dass diese Sterne so freundlich sind, zu explodieren… “- Lawrence Krauss

In der Wissenschaft muss man nicht alles richtig machen, um die unglaublichsten Dinge richtig zu machen. Manchmal entstehen gute Ideen aus einem gescheiterten Paradigma. Ein hervorragendes Beispiel für beides ist das 1957 veröffentlichte bahnbrechende Papier zur Sternnukleosynthese (Erzeugung komplexer Kerne aus einfacheren), das nach den Initialen der vier Autoren einfach als B2FH bekannt ist. Zum ersten Mal bot es ein erfolgreiches Modell der Elementbildung. Es wurde entwickelt, um die Notwendigkeit eines Urknalls zu vermeiden und eine alternative Erklärung namens Steady-State-Theorie zu unterstützen. Während die Steady-State-Theorie heute ein Relikt der Vergangenheit ist, ergänzt die Sternnukleosynthese die Urknalltheorie durch eine erfolgreiche, umfassende Erklärung, wie alle Elemente im Universum aus Elementarteilchen aufgebaut wurden.

Es ist eine merkwürdige Tatsache in der Geschichte, dass ein Astronom, als er zum ersten Mal den Begriff „Urknall“ verwendete, um die frühen Stadien des Universums zu beschreiben, dies spöttisch meinte. Der Cambridge-Forscher Fred Hoyle (das „H“ in der zentralen Veröffentlichung), der den Ausdruck in einem BBC-Radiointerview von 1948 prägte, dachte, die Idee, dass die gesamte Materie im Universum auf einmal auftaucht, wie der plötzliche Ausbruch einer kolossalen kosmischen Piñata. offenkundig lächerlich sein.

Fred Hoyle war in den 1940er und 1950er Jahren regelmäßig in BBC-Radioprogrammen zu sehen und eine der einflussreichsten Figuren auf dem Gebiet der Sternnukleosynthese. Bildnachweis: British Broadcasting Company.

Während er an einen expandierenden Kosmos glaubte, dachte er, dass er in einem stabilen Zustand nahezu Gleichheit für immer andauern würde, wobei ein langsamer Tropfen frischer Materie die Lücken füllte - ähnlich wie ein Schneider, der einem Anzug, der für ein wachsendes Kind geändert wurde, neue Knöpfe hinzufügte.

Im Urknall bewirkt das expandierende Universum, dass sich die Materie im Laufe der Zeit verdünnt, während in der Steady-State-Theorie die fortgesetzte Materieerzeugung sicherstellt, dass die Dichte über die Zeit konstant bleibt. Bildnachweis: E. Siegel.

Eines der Hauptprobleme bei Hoyles Steady-State-Schema, das gemeinsam mit Thomas Gold und Herman Bondi entwickelt wurde, war die Erklärung, wie die kalten Elementarteilchen, die allmählich in den Weltraum eindringen, in höhere Elemente umgewandelt werden können. In diesem Bereich behauptete die Urknalltheorie zunächst, alle Antworten zu haben. George Gamow gab zusammen mit seinem Schüler Ralph Alpher vor, die gesamte Elementbildung durch Urknall-Nukleosynthese zu erklären. Das heißt, sie argumentierten, dass der feurige Kessel des Urknalls alle natürlichen chemischen Elemente, von Wasserstoff bis Uran, aus den einfacheren Protonen- und Neutronenbausteinen schmiedete. Sie veröffentlichten ihre Arbeiten in einem Schlüsselpapier „Origin of the Chemical Elements“, das im April 1948 erschien.

George Gamow, rechts (mit Pfeife), 1930/1931 im Bragg-Labor. Bildnachweis: Serge Lachinov.

Gamow hatte einen wunderbaren Sinn für Humor und liebte es, praktische Witze zu spielen. Als er feststellte, dass Alpher's Name und sein Name den ersten und dritten Buchstaben des griechischen Alphabets Alpha und Gamma ähnelten, beschloss er, den Namen des Physikers Hans Bethe, der wie Beta klang, als zweiten Autor hinzuzufügen. Bethe hatte fast nichts mit dem Papier zu tun. Er war jedoch ein Experte für Nukleosynthese, daher war die Idee nicht so verrückt, wie es sich anhörte. Daher ist der wegweisende Artikel allgemein als Alpha-Beta-Gamma-Papier bekannt. (Als ein anderer Doktorand, Robert Herman, dem Team beitrat, schlug Gamow scherzhaft vor, seinen Namen in "Delter" zu ändern, um sich anzupassen.)

Das berühmte Alpher-Bethe-Gamow-Papier von 1948, in dem einige der Feinheiten der Urknall-Nukleosynthese beschrieben wurden. Die Lichtelemente wurden korrekt vorhergesagt; Die schweren Elemente waren es nicht. Bildnachweis: Physical Review (1948).

Gamow war stolz auf sein kluges Wortspiel und seine neuartige Idee und sandte eine Kopie des Papiers an seinen Freund, den schwedischen Physiker Oskar Klein, und machte ihn auf seine Bedeutung aufmerksam. "Es scheint, dass dieser 'alphabetische' Artikel Alpha bis Omega der Elementproduktion darstellt", schrieb Gamow. "Wie gefällt es Ihnen?" Klein antwortete dann:

„Vielen Dank, dass Sie mir Ihr charmantes alphabetisches Papier geschickt haben. Erlauben Sie mir jedoch, Zweifel daran zu haben, dass es "das Alpha-Omega der Elementproduktion" darstellt. Was Gamma angeht, stimme ich Ihnen natürlich voll und ganz zu und dass dieser glänzende Anfang in der Tat vielversprechend aussieht, aber in Bezug auf die weitere Entwicklung sehe ich Schwierigkeiten. “

In der Tat war Kleins Antwort passend. Das Alpha-Beta-Gamma-Papier konnte buchstäblich nur die ersten drei Elemente erklären: Wasserstoff, Helium und (in begrenztem Umfang) Lithium. Diese können wie die Sprossen einer Leiter Schritt für Schritt aufgebaut werden, indem ein Proton, Neutron oder Deuteron (Proton-Neutron-Kombination) hinzugefügt wird, um zum nächsten Isotop aufzusteigen. Über die Lithiumproduktion hinaus gab es ein fatales Problem: Es gab keine stabilen Isotope der Atommasse (Summe der Protonen plus Neutronen) fünf oder acht!

  • Das Hinzufügen eines Protons oder eines Neutrons zu Helium-4, um entweder Helium-5 oder Lithium-5 zu erzeugen, würde dazu führen, dass eines in weniger als 10–21 Sekunden zerfällt.
  • Das Hinzufügen von zwei Helium-4-Kernen zu Beryllium-8 führt zu einem Zerfall in knapp 10–16 Sekunden.

Ohne einen guten Schritt durch die Messe fünf oder acht schien es keinen guten Weg zu geben, weiter voranzukommen. Es gab zum Beispiel keine Möglichkeit, Kohlenstoff zusammenzubauen, besonders in der begrenzten Zeit, in der das Universum am heißesten war. Wenn Sie an noch höhere, schwerere Elemente dachten, wurde das Problem nur noch schwieriger. Der Urknall-Nukleosyntheseleiter fehlten dabei Schlüsselsprossen, die sie als vollständige Beschreibung des gesamten Periodensystems zum Scheitern verurteilten.

Die vorhergesagten Häufigkeiten von Helium-4, Deuterium, Helium-3 und Lithium-7, wie durch die Urknall-Nucleosynthese vorhergesagt, wobei die Beobachtungen in den roten Kreisen gezeigt sind. Obwohl einige Elemente vom Urknall aufgebaut werden, ist dies im größten Teil des Periodensystems nicht der Fall. Bildnachweis: NASA / WMAP-Wissenschaftsteam.

In der Zwischenzeit stellte Hoyle seine eigene Hypothese auf, dass alle höheren Elemente jenseits von Helium in roten Riesensternen produziert wurden. Im Laufe eines Jahrzehnts, von Mitte der 1940er bis Mitte der 1950er Jahre, begann er, verschiedene Arten von Kernprozessen in Betracht zu ziehen, die die höheren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in feurigen Sternkernen aufbauen könnten. Diese würden immens hohe Temperaturen erfordern, die über lange Zeiträume aufrechterhalten werden.

In Caltech hatte CC (Charles Christian) Lauritsen, ein dänischer Kernphysiker, ein leistungsfähiges Kernstrukturzentrum namens WK Kellogg Radiation Laboratory eingerichtet. Zu den Forschern in den 1950er Jahren gehörten Lauritsens Doktorand William Fowler und Lauritsens Sohn Thomas, selbst ein versierter Physiker. Das Labor zeichnete sich durch die Verwendung von Teilchenbeschleunigern aus, um Teilchen zu beschleunigen und auf nukleare Ziele zu schleudern, was in einigen Fällen zu Transmutationen führte.

Willie Fowler im WK Kellogg Radiation Laboratory bei Caltech, der die Existenz des Hoyle State und des Triple-Alpha-Prozesses bestätigte. Bildnachweis: Caltech Archives.

Aufgrund der Fähigkeiten des Kellogg Lab arrangierte Hoyle ab 1953 zahlreiche lange Besuche bei Caltech. Als er im Labor ankam, forderte er die Forscher sofort auf, seine Hypothese eines langlebigen angeregten Zustands von Kohlenstoff-12 zu untersuchen, der als solcher fungierte Ein wichtiger Schritt in der Sternnukleosynthese. Fowler, die beiden Lauristens und ein anderer Physiker namens CW Cook machten sich auf die Suche nach diesem Zustand und schafften es sehr bald, ihn zu produzieren. Damit begann eine äußerst lukrative Zusammenarbeit zwischen Hoyle, Fowler und anderen. Zu ihnen gesellte sich bald das Ehefrau- und Ehemann-Team der britischen Astronomen E. Margaret und Geoffrey Burbidge, die mit Hoyle in Cambridge zusammengearbeitet hatten.

Margaret und Geoffrey Burbidge, Pioniere auf dem Gebiet der Sternnukleosynthese. Bildnachweis: Caltech Archives.

Am 30. Dezember 1956 wurde in der New York Times die Elementtransmutationsarbeit in Kellogg, bei der Kohlenstoff mit Deuteronen bombardiert wurde, als Beweis für die Steady-State-Theorie im Gegensatz zum Urknall vorgestellt. In Bezug auf einen Vortrag von Thomas Lauritsen auf der Jahrestagung der American Physical Society in diesem Jahr lautete die Überschrift: „Physiker macht Helium aus Kohlenstoff; Transmutation wird als Hilfe zur Erklärung des Ursprungs des Universums gepriesen. "Urknall" -Theorie-Hit. "

Die Schlagzeilen verkünden den Erfolg der Sternnukleosynthese… und die Aufwärtsbewegung der Alpha-Beta-Gamma-Vorhersagen schwererer Elemente. Bildnachweis: New York Times.

Weniger als ein Jahr später, am 1. Oktober 1957, veröffentlichten die beiden Burbidges Fowler und Hoyle (B²FH) in Reviews of Modern Physics die Seminararbeit „Synthese der Elemente in Sternen“. Das Papier stützte sich auf Hoyles theoretisches Fachwissen, das Beobachtungs-Know-how der Burbidges und Fowlers experimentelle Fähigkeiten (die er teilweise von CC Lauritsen aufgegriffen hatte) und war eine brillante Darstellung des Aufbaus der Elemente, wobei diese in verschiedene Prozesse unterteilt wurden. Beginnend mit der Wasserstoffverbrennung und der Heliumverbrennung bis hin zu den sogenannten Prozessen „s“ (langsamer Neutroneneinfang), „r“ (schneller Neutroneneinfang) und „p“ (Protoneneinfang) mit höheren Elementen.

Die Wege, um stabile und instabile Elemente aus der Nukleosynthese in Sternen aufzubauen. Bildnachweis: Woosley, Arnett und Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Sie zeigten, wie alternde Sterne, die massiv genug waren, wie Red Giants und Supergiants, es energetisch machbar finden konnten, alle Elemente bis zu Eisen in ihren Kernen zu erzeugen. Die noch höheren Elemente könnten unter den extremen Bedingungen einer Supernova-Explosion erzeugt werden, bei der die gesamte Bandbreite der Elemente in den Weltraum freigesetzt würde.

Ein Supernova-Überrest stößt nicht nur schwere Elemente, die bei der Explosion entstanden sind, zurück ins Universum, sondern das Vorhandensein dieser Elemente kann auch von der Erde aus nachgewiesen werden. Bildnachweis: NASA / Chandra Röntgenobservatorium.

Die Hauptbeschränkung des ansonsten herausragenden Artikels bestand darin, dass die enorme Menge an Helium im Weltraum nicht vorhergesagt werden konnte. Obwohl alle Sterne Wasserstoff zu Helium verschmelzen, würden sie nur ein Universum schaffen, das heute weniger als 5% Helium enthält. Wir beobachten jedoch ein Universum, in dem mehr als 25% seiner Masse Helium ist. Um diesen Prozentsatz zu produzieren, stellte sich heraus, dass der heiße Urknall gebraucht wurde. Die enge Übereinstimmung der Urknall-Vorhersagen mit dem tatsächlichen Wasserstoff-zu-Helium-Verhältnis sowie die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Arno Penzias und Robert Wilson im Jahr 1965, das abgekühlte „Zischen“ der Strahlung aus dem frühen Universum, zementierten den Mainstream Unterstützung der Astronomen für den Urknall über dem Steady State.

Mitte der 1960er Jahre ließen Hoyle und die Burbidges die ursprüngliche Steady-State-Theorie fallen, entwickelten jedoch zusammen mit Hoyles Schüler Jayant Narlikar eine Alternative mit „kleinen Pony“, den so genannten Quasi-Steady-State. Bis zu seinem Tod im Jahr 2001 setzte Hoyle diese Theorie fort. Während Fowler den Nobelpreis für seine Nuklearforschung im Allgemeinen gewann, erhielten Hoyle und die Burbidges wohl relativ wenig Anerkennung für ihre wegweisenden Beiträge.

2007 half ich zusammen mit Virginia Trimble bei der Organisation einer Sitzung bei einem Treffen der American Physical Society zu Ehren des 50. Jahrestages der B²FH-Zeitung. Geoffrey Burbidge, bis dahin bei schlechter Gesundheit, unterstützt von einer Krankenschwester und an einen Rollstuhl gebunden, nahm teil und hielt einen Vortrag. Sein Geist und seine Stimme waren jedoch so stark wie immer. Ich erinnere mich, dass er davon sprach, dass die Urknallmenschen wie sinnlose Lemminge sind, die ihrem Anführer über eine Klippe folgen. Er starb weniger als drei Jahre später.

Heute ist Margaret Burbidge im Alter von 97 Jahren die einzige noch lebende Autorin der Zeitung, da wir an ihr 60-jähriges Bestehen erinnern. Lassen Sie uns einen Toast auf Prof. Burbidge und ihre verstorbenen Kollegen erheben, um den Moment zu feiern, in dem die Menschheit erkannte, dass es aus Sternen besteht!

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