La luce del sole è dovuta alla fusione nucleare, che converte principalmente l'idrogeno in elio. Tuttavia, le stelle possono subire ulteriori processi, creando elementi molto più pesanti di così. Credito d'immagine: NASA / SDO.

60 anni di Starstuff

Come l'umanità ha scoperto da dove vengono i nostri elementi.

Questo articolo è stato scritto dal fisico Paul Halpern dell'Università delle Scienze in Pennsylvania. Paul è autore del nuovo libro The Quantum Labyrinth: How Richard Feynman e John Wheeler hanno rivoluzionato il tempo e la realtà.

“Non potresti essere qui se le stelle non fossero esplose, perché gli elementi - carbonio, azoto, ossigeno, ferro, tutte le cose che contano per l'evoluzione e per la vita - non sono stati creati all'inizio dei tempi. Sono stati creati nelle fornaci nucleari delle stelle e l'unico modo per loro di entrare nel tuo corpo è se quelle stelle fossero abbastanza gentili da esplodere ... "-Lawrence Krauss

Nella scienza, non è necessario ottenere tutto giusto per ottenere le cose più incredibili corrette. A volte le buone idee emergono da un paradigma fallito. Un eccellente esempio di entrambi è il rivoluzionario documento di nucleosintesi stellare (creazione di nuclei complessi da quelli più semplici), pubblicato nel 1957, noto semplicemente come B2FH, dopo le iniziali dei quattro autori. Per la prima volta, ha offerto un modello riuscito di formazione degli elementi. È stato progettato per evitare la necessità di un Big Bang e per supportare una spiegazione alternativa chiamata teoria dello stato stazionario. Oggi, mentre la teoria dello stato stazionario è una reliquia del passato, la nucleosintesi stellare completa la teoria del Big Bang in una spiegazione completa e di successo di come tutti gli elementi nell'universo sono stati costruiti da particelle elementari.

È un fatto curioso della storia che la prima volta che un astronomo abbia usato il termine "Big Bang" per descrivere le prime fasi dell'Universo, lo intendeva in modo derisorio. Il ricercatore di Cambridge Fred Hoyle (la "H" nel documento cardine), che coniò l'espressione in un'intervista radiofonica della BBC del 1948, pensò che l'idea di tutta la materia nell'universo emergesse contemporaneamente, come l'improvviso scoppio di una colossale piñata cosmica, essere palesemente ridicolo.

Fred Hoyle faceva parte dei programmi radiofonici della BBC negli anni '40 e '50 e una delle figure più influenti nel campo della nucleosintesi stellare. Credito d'immagine: British Broadcasting Company.

Mentre credeva in un cosmo in espansione, pensava che sarebbe durato per sempre in uno stato stazionario di quasi identicità, con un lento gocciolio di materia fresca che riempiva gli spazi vuoti - simile a un sarto che aggiunge nuovi pulsanti a un abito modificato per un bambino in crescita.

Nel Big Bang, l'Universo in espansione fa sì che la materia si diluisca nel tempo, mentre nella teoria dello stato stazionario, la creazione continua della materia assicura che la densità rimanga costante nel tempo. Credito d'immagine: E. Siegel.

Uno dei problemi principali con lo schema dello stato stazionario di Hoyle, sviluppato congiuntamente con Thomas Gold ed Herman Bondi, era spiegare come le particelle fredde ed elementari che si infiltrano gradualmente nello spazio possano trasformarsi in elementi superiori. In quel campo, la teoria del Big Bang, inizialmente, sosteneva di avere tutte le risposte. George Gamow, insieme al suo studente Ralph Alpher, pretendeva di spiegare l'intera creazione di elementi attraverso la nucleosintesi del Big Bang. Cioè, hanno sostenuto che il calderone infuocato del Big Bang ha forgiato tutti gli elementi chimici naturali, dall'idrogeno fino all'uranio, dai più semplici blocchi di protoni e neutroni. Pubblicarono il loro lavoro in un documento chiave "L'origine degli elementi chimici", che apparve nell'aprile 1948.

George Gamow, in piedi (con la pipa) a destra, nel laboratorio di Bragg nel 1930/1931. Credito d'immagine: Serge Lachinov.

Gamow aveva un meraviglioso senso dell'umorismo e adorava fare battute pratiche. Notando che il nome di Alpher e il suo assomigliavano alla prima e alla terza lettera dell'alfabeto greco, alfa e gamma, quando presentò il documento, decise di aggiungere il nome del fisico Hans Bethe, che suonava come beta, come secondo autore. Bethe non aveva quasi nulla a che fare con il giornale. Tuttavia, era un esperto di nucleosintesi, quindi l'idea non era così folle come sembrava. Quindi l'articolo fondamentale è universalmente noto come carta alfa-beta-gamma. (Quando un altro studente laureato Robert Herman si unì alla squadra, Gamow gli suggerì scherzosamente di cambiare il suo nome in "Delter", solo per adattarsi.)

Il famoso articolo Alpher-Bethe-Gamow del 1948, che descriveva in dettaglio alcuni dei punti più fini della nucleosintesi del Big Bang. Gli elementi luminosi sono stati previsti correttamente; gli elementi pesanti non lo erano. Credito d'immagine: Physical Review (1948).

Orgoglioso del suo ingegnoso gioco di parole e della sua idea di romanzo, Gamow ha inviato una copia del documento al suo amico fisico svedese Oskar Klein, informandolo della sua importanza. "Sembra che questo articolo" alfabetico "possa rappresentare da alfa a omega della produzione di elementi", ha scritto Gamow. "Come ti piace?" Klein quindi rispose:

“Grazie mille per avermi inviato la tua affascinante carta alfabetica. Mi permetti, tuttavia, di avere qualche dubbio sulla sua rappresentazione "da alfa a omega della produzione di elementi". Per quanto riguarda la gamma, ovviamente sono completamente d'accordo con te e che questo brillante inizio sembra davvero molto promettente, ma per quanto riguarda l'ulteriore sviluppo vedo difficoltà. ”

In effetti, la risposta di Klein era appropriata. Il documento alfa-beta-gamma potrebbe letteralmente spiegare solo i primi tre elementi: idrogeno, elio e (in misura limitata) litio. Questi potrebbero essere costruiti passo dopo passo, come i pioli di una scala, aggiungendo un protone, un neutrone o un deuterone (combinazione protone-neutrone) per salire al successivo isotopo. Oltre alla produzione di litio c'era un problema fatale: non c'erano isotopi stabili di massa atomica (somma di protoni più neutroni) cinque o otto!

  • L'aggiunta di un protone o di un neutrone all'elio-4, per creare elio-5 o litio-5, causerebbe la decomposizione di uno dei due in meno di 10-21 secondi.
  • L'aggiunta di due nuclei di elio-4 insieme, per creare il berillio-8, provoca un decadimento in poco meno di 10-16 secondi.

Senza un buon passo attraverso la massa cinque o otto, non sembrava esserci un buon modo per progredire ulteriormente. Non è stato possibile, ad esempio, assemblare il carbonio, soprattutto in un periodo di tempo limitato l'universo era più caldo. Quando hai pensato a elementi ancora più alti e più pesanti, il problema è diventato solo più difficile. La scala della nucleosintesi del Big Bang mancava quindi di pioli chiave che la condannavano come una descrizione completa dell'intera tavola periodica.

Le abbondanze previste di elio-4, deuterio, elio-3 e litio-7 come previsto dalla nucleosintesi del Big Bang, con osservazioni mostrate nei cerchi rossi. Sebbene alcuni elementi siano costruiti dal Big Bang, la maggior parte della tavola periodica non lo è. Credito d'immagine: team scientifico NASA / WMAP.

Nel frattempo, Hoyle avanzò la propria ipotesi che tutti gli elementi superiori oltre l'elio fossero prodotti in stelle giganti rosse. Nel corso di un decennio, dalla metà degli anni '40 alla metà degli anni '50, iniziò a considerare vari tipi di processi nucleari che potevano costruire gli elementi superiori, come carbonio, azoto e ossigeno in nuclei stellari infuocati. Ciò richiederebbe temperature estremamente elevate sostenute per lunghi periodi di tempo.

A Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, un fisico nucleare danese, aveva istituito un potente centro di struttura nucleare chiamato WK Kellogg Radiation Laboratory. I ricercatori lì negli anni '50 includevano lo studente laureato di Lauritsen, William Fowler, e il figlio di Lauritsen, Thomas, un fisico affermato a pieno titolo. Il laboratorio si è distinto per l'uso di acceleratori di particelle per accelerare e scagliare particelle verso obiettivi nucleari, causando in alcuni casi trasmutazioni.

Willie Fowler nel Well Kellogg Radiation Laboratory di Caltech, che ha confermato l'esistenza dello stato di Hoyle e del processo alfa triplo. Credito di immagine: Archivi Caltech.

Attinto dalle capacità del Kellogg Lab, Hoyle organizzò numerose lunghe visite a Caltech, a partire dal 1953. All'arrivo in laboratorio sfidò immediatamente i ricercatori a indagare sulla sua ipotesi di uno stato eccitato di lunga durata di carbonio-12 che agiva come un passo fondamentale nella nucleosintesi stellare. Fowler, i due Lauristen e un altro fisico di nome CW Cook partirono per trovare quello stato e riuscirono molto presto a produrlo. Ciò ha iniziato una collaborazione altamente redditizia tra Hoyle, Fowler e altri. A loro si unirono presto la moglie e il marito della squadra di astronomi britannici E. Margaret e Geoffrey Burbidge, che avevano lavorato con Hoyle a Cambridge.

Margaret e Geoffrey Burbidge, pioniere nel campo della nucleosintesi stellare. Credito di immagine: Archivi Caltech.

Il 30 dicembre 1956, il lavoro di trasmutazione degli elementi a Kellogg, che comportava il bombardamento del carbonio con i deuteroni, fu descritto nel New York Times come prova della teoria dello stato stazionario rispetto al Big Bang. Facendo riferimento a un discorso pronunciato da Thomas Lauritsen all'incontro annuale dell'American Physical Society di quell'anno, il suo titolo recitava: “Il fisico produce elio di carbonio; La trasmutazione è chiamata aiuto per spiegare l'origine dell'universo; Teoria del 'Big Bang'.

I titoli che annunciano il successo della nucleosintesi stellare ... e l'inversione delle previsioni alfa-beta-gamma di elementi più pesanti. Credito d'immagine: New York Times.

Meno di un anno dopo, il 1 ° ottobre 1957, i due Burbidges, Fowler e Hoyle (B²FH) pubblicarono su Reviews of Modern Physics il documento del seminario "Synthesis of the Elements in Stars". Attingendo alla competenza teorica di Hoyle, al know-how osservazionale di Burbidges e all'abilità sperimentale di Fowler (che ha raccolto in parte da CC Lauritsen), il documento era una brillante esposizione di come gli elementi sono stati costruiti, dividendoli in diversi processi, iniziando con la combustione dell'idrogeno e la combustione dell'elio, e proseguendo con i cosiddetti processi "s" (acquisizione di neutroni lenti), "r" (acquisizione rapida di neutroni) e "p" (acquisizione di protoni) che coinvolgono elementi superiori.

I modi per costruire elementi - stabili e instabili - dalla nucleosintesi nelle stelle. Credito d'immagine: Woosley, Arnett e Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Hanno mostrato come le stelle invecchianti che erano abbastanza massicce, come i Giganti rossi e i Supergiant, potessero trovare energicamente fattibile creare tutti gli elementi fino a ferro nei loro nuclei. Gli elementi ancora più alti potrebbero essere prodotti nelle condizioni estreme di un'esplosione di una supernova, sulla quale l'intera gamma di elementi verrebbe rilasciata nello spazio.

Un residuo di supernova espelle non solo gli elementi pesanti creati nell'esplosione nell'Universo, ma la presenza di tali elementi può essere rilevata dalla Terra. Credito d'immagine: NASA / Chandra X-ray Observatory.

La principale limitazione dell'articolo altrimenti eccezionale è stata la sua incapacità di prevedere l'enorme quantità di elio nello spazio. Sebbene tutte le stelle fondano l'idrogeno nell'elio, oggi creerebbero solo un universo che era, in massa, meno del 5% di elio. Tuttavia osserviamo un universo in cui oltre il 25% della sua massa è elio. Per produrre quella percentuale, il Big Bang caldo si rivelò necessario. La stretta corrispondenza delle previsioni del Big Bang con l'attuale rapporto idrogeno-elio, così come la scoperta del 1965 da parte di Arno Penzias e Robert Wilson della radiazione cosmica di fondo, il "sibilo" raffreddato delle radiazioni dall'universo primordiale, il mainstream cementato il sostegno degli astronomi al Big Bang sullo stato stazionario.

A metà degli anni '60, Hoyle and the Burbidges abbandonarono l'originale teoria dello stato stazionario, ma insieme allo studente di Hoyle Jayant Narlikar sviluppò un'alternativa con "piccoli scoppi" chiamata stato quasi stabile. Fino alla sua morte nel 2001, Hoyle continuò ad abbracciare quella teoria. Mentre Fowler ha vinto il Premio Nobel per la sua ricerca nucleare in generale, probabilmente Hoyle e Burbidges hanno ricevuto relativamente poco credito per il loro contributo fondamentale.

Nel 2007, insieme a Virginia Trimble, ho contribuito a organizzare una sessione in una riunione dell'American Physical Society in onore del 50 ° anniversario del documento B²FH. Geoffrey Burbidge, ormai in cattive condizioni di salute, aiutato da un'infermiera e confinato su una sedia a rotelle, partecipò e tenne un discorso. Tuttavia, il suo spirito e la sua voce erano più forti che mai. Ricordo che parlava del fatto che le persone del Big Bang fossero come dei lemming senza cervello che seguivano il loro leader su una scogliera. Morì meno di tre anni dopo.

Oggi Margaret Burbidge, all'età di 97 anni, è l'unica autrice del giornale ancora in vita, mentre commemoriamo il suo 60 ° anniversario. Facciamo un brindisi al Prof. Burbidge e ai suoi ultimi colleghi, per celebrare il momento in cui l'umanità si è resa conto che è fatta di cose da star!

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