Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Elementer fra stjernerne - den uventede opdagelse, der forstærkede astrofysikken for 66 år siden

Nye tunge kerner genereres konstant i stjerner og andre astronomiske kroppe. Kredit:Erin O'Donnell, CC BY-ND

For næsten 70 år siden, astronomen Paul Merrill så himlen gennem et teleskop ved Mount Wilson Observatory i Pasadena, Californien. Da han så lyset fra en fjern stjerne, han så signaturer af elementet technetium.

Dette var helt uventet. Technetium har ingen stabile former - det er hvad fysikere kalder et "kunstigt" element. Som Merrill selv udtrykte det med lidt underdrivelse, "Det er overraskende at finde et ustabilt element i stjernerne."

Ethvert technetium, der var til stede, da stjernen blev dannet, skulle have forvandlet sig til et andet element, såsom ruthenium eller molybdæn, for meget længe siden. Som et kunstigt element, nogen må for nylig have oprettet technetium Merrill plettet. Men hvem eller hvad kunne have gjort det i denne stjerne?

Den 2. maj, 1952, Merrill rapporterede sin opdagelse i tidsskriftet Science. Blandt de tre fortolkninger, som Merrill tilbød, var svaret:Stjerner skaber tunge elementer! Ikke alene havde Merrill forklaret en forvirrende observation, han havde også åbnet døren for at forstå vores kosmiske oprindelse. Ikke mange opdagelser i videnskaben ændrer fuldstændigt vores syn på verden - men denne gjorde det. Det nyligt afslørede billede af universet var simpelthen forbløffende, og konsekvenserne af denne opdagelse driver stadig atomforskningsforskning i dag.

Technetiumkerner omdannes til Ruthenium eller Molybdæn inden for få millioner år - så hvis du får øje på dem nu, de kan ikke efterlades fra Big Bang for milliarder af år siden. Kredit:Erin O'Donnell, Michigan State University, CC BY-ND

Hvor kommer elementer fra?

I begyndelsen af ​​1950'erne, det var stadig uklart, hvordan de elementer, der udgør vores univers, vores solsystem, selv vores menneskelige kroppe, blev skabt. I første omgang, det mest populære scenario var, at de alle blev lavet i Big Bang.

De første alternative scenarier blev udviklet af datidens kendte forskere, ligesom Hans Bethe (Nobelprisen i fysik, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Max-Plank-medalje, 1957), og Fred Hoyle (Royal Medal, 1974). Men ingen var virkelig kommet med en overbevisende teori om elementernes oprindelse - indtil Paul Merrills observation.

Merrills opdagelse markerede fødslen af ​​et helt nyt felt:stjernenukleosyntese. Det er studiet af, hvordan elementerne, eller mere præcist deres atomkerner, er syntetiseret i stjerner. Det tog ikke lang tid, før forskere begyndte at forsøge at finde ud af, hvad processen med elementsyntese i stjerner indebar. Det var her atomfysikken skulle spille ind, for at hjælpe med at forklare Merrills fantastiske observation.

Når atomkerner kolliderer, de smelter nogle gange, danner nye elementer. Kredit:Borb, CC BY-SA

Smeltende kerner i hjertet af en stjerne

Mursten for mursten, element for element, atomprocesser i stjerner tager de rigelige brintatomer og bygger tungere grundstoffer, fra helium og kulstof til technetium og videre.

Fire fremtrædende atomfysikere på den tid arbejdede sammen, og udgav i 1957 "Syntesen af ​​grundstofferne i stjerner":Margaret Burbidge (Albert Einstein World Award of Science, 1988), Geoffrey Burbidge (Bruce Medal, 1999), William Fowler (Nobelprisen i fysik, 1983), og Fred Hoyle (Royal Medal, 1974). Publikationen, kendt som B2FH, er stadig en reference til beskrivelse af astrofysiske processer i stjerner. Al Cameron (Hans Bethe -prisen, 2006) samme år uafhængigt af den samme teori i sit papir "Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis."

Her er historien, de sammensatte.

Stjerner er tunge. Man skulle tro, de ville falde fuldstændig sammen over sig selv på grund af deres egen tyngdekraft - men det gør de ikke. Det, der forhindrer dette sammenbrud, er atomfusionsreaktioner, der sker i stjernens centrum.

Fusionsreaktioner sker i forskellige dele af en stjerne. Technetium er skabt i skallen. Kredit:ESO, CC BY-ND

Inden for en stjerne er milliarder og milliarder af atomer. De zoomer rundt, nogle gange kolliderer med hinanden. I første omgang er stjernen for kold, og når atomernes kerner kolliderer, hopper de simpelthen af ​​hinanden. Når stjernen komprimerer på grund af dens tyngdekraft, selvom, temperaturen i midten stiger. Under så varme forhold, nu når kerner løber ind i hinanden, har de nok energi til at smelte sammen. Dette er hvad fysikere kalder en atomfusionsreaktion.

Disse atomreaktioner tjener to formål.

Først, de frigiver energi, der opvarmer stjernen, giver det ydre tryk, der forhindrer dets tyngdekrafts kollaps og holder stjernen i balance i milliarder af år. Sekund, de smelter lette elementer sammen i tungere. Og langsomt, startende med hydrogen og helium, stjerner vil gøre det technetium, som Merrill observerede, kalcium i vores knogler og guldet i vores smykker.

Mange forskellige atomreaktioner er ansvarlige for at få alt dette til at ske. Og de er ekstremt vanskelige at studere i laboratoriet, fordi kerner er svære at smelte sammen. Derfor, i mere end seks årtier, atomfysikere har fortsat arbejdet med at få styr på de atomreaktioner, der driver stjernerne.

Moderne eksperimenter med nukleosyntese, ligesom forfatterne, køres på atomfysisk udstyr inklusive partikelacceleratorer. Kredit:National Superconducting Cyclotron Laboratory, CC BY-ND

Astrofysikere frigør stadig elementets oprindelse

I dag er der mange flere måder at observere signaturerne ved grundlæggelse af elementer i hele universet.

Meget gamle stjerner registrerer universets sammensætning helt tilbage på tidspunktet for deres dannelse. Efterhånden som der findes flere og flere stjerner i forskellige aldre, deres kompositioner begynder at fortælle historien om elementsyntese i vores galakse, fra dets dannelse kort efter Big Bang til i dag.

Og jo flere forskere lærer, jo mere komplekst bliver billedet. I det sidste årti, observationer gav beviser for en meget bredere vifte af elementskabende processer end forventet. For nogle af disse processer, vi ved ikke engang endnu, i hvilken slags stjerner eller stjernestrængninger de opstår. Men astrofysikere tror, ​​at alle disse stjernebegivenheder har bidraget med deres karakteristiske blanding af elementer i den hvirvlende støvsky, der i sidste ende blev vores solsystem.

Det seneste eksempel stammer fra en fusion med neutronstjerner, der spores af gravitations- og elektromagnetiske observatorier rundt om i verden. Denne observation viser, at selv fusionerende neutronstjerner yder et stort bidrag til produktionen af ​​tunge grundstoffer i universet-i dette tilfælde de såkaldte Lanthanides, der inkluderer elementer som Terbium, Neodynium og Dysprosium bruges i mobiltelefoner. Og ligesom på tidspunktet for Merrills opdagelse, atomforskere rundt om i verden kæmper, arbejder overarbejde ved deres acceleratorer, at finde ud af, hvilke atomreaktioner der muligvis kunne forklare alle disse nye observationer.

Opdagelser, der ændrer vores syn på verden, sker ikke hver dag. Men når de gør det, de kan give flere spørgsmål end svar. Det kræver meget ekstra arbejde at finde alle brikkerne i det nye videnskabelige puslespil, sætte dem sammen trin for trin og til sidst nå frem til en ny forståelse. Avancerede astronomiske observationer med moderne teleskoper afslører fortsat flere og flere hemmeligheder gemt i fjerne stjerner. State-of-the-art acceleratorfaciliteter studerer de nukleare reaktioner, der skaber elementer i stjerner. Og sofistikerede computermodeller sammensætter det hele, forsøger at genskabe de dele af universet, vi ser, mens han rækker ud mod dem, der stadig gemmer sig indtil den næste store opdagelse.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.




Varme artikler