Cahaya Matahari disebabkan oleh fusi nuklir, yang utamanya mengubah hidrogen menjadi helium. Namun, bintang dapat mengalami proses lebih lanjut, menciptakan elemen yang jauh lebih berat dari itu. Kredit gambar: NASA / SDO.

60 Tahun Starstuff

Bagaimana umat manusia menemukan dari mana unsur-unsur kita berasal.

Artikel ini ditulis oleh fisikawan Paul Halpern dari University of the Sciences di Pennsylvania. Paul adalah penulis buku baru The Quantum Labyrinth: Bagaimana Richard Feynman dan John Wheeler merevolusi Waktu dan Realitas.

"Anda tidak bisa berada di sini jika bintang-bintang tidak meledak, karena unsur-unsurnya - karbon, nitrogen, oksigen, besi, semua hal yang penting bagi evolusi dan kehidupan - tidak diciptakan pada awal waktu. Mereka diciptakan di tungku nuklir bintang, dan satu-satunya cara bagi mereka untuk masuk ke tubuh Anda adalah jika bintang-bintang itu cukup baik untuk meledak ... "-Lawrence Krauss

Dalam sains, Anda tidak harus melakukan semuanya dengan benar untuk mendapatkan hal-hal yang paling luar biasa dengan benar. Terkadang ide bagus muncul dari paradigma yang gagal. Contoh yang sangat baik dari keduanya adalah kertas nukleosintesis bintang terobosan (penciptaan inti kompleks dari yang lebih sederhana) kertas, diterbitkan pada tahun 1957, dikenal hanya sebagai B2FH, setelah inisial dari empat penulis. Untuk pertama kalinya, ia menawarkan model pembentukan elemen yang sukses. Itu dirancang untuk menghindari kebutuhan akan Big Bang, dan untuk mendukung penjelasan alternatif yang disebut teori Steady State. Hari ini, sementara teori Steady State adalah peninggalan masa lalu, nukleosintesis bintang melengkapi teori Big Bang dalam penjelasan yang sukses dan komprehensif tentang bagaimana semua elemen di alam semesta dibangun dari partikel elementer.

Ini adalah fakta sejarah yang aneh bahwa pertama kali seorang astronom menggunakan istilah "Big Bang" untuk menggambarkan tahap awal alam semesta, yang ia maksudkan adalah mengejek. Peneliti Cambridge Fred Hoyle ("H" dalam makalah penting), yang menciptakan ekspresi dalam wawancara radio BBC 1948, memikirkan ide semua materi di alam semesta yang muncul sekaligus, seperti ledakan mendadak piñata kosmik kolosal, menjadi terang-terangan konyol.

Fred Hoyle adalah reguler di program radio BBC pada 1940-an dan 1950-an, dan salah satu tokoh paling berpengaruh di bidang nukleosintesis bintang. Kredit gambar: British Broadcasting Company.

Sementara dia percaya pada kosmos yang meluas, dia pikir itu akan bertahan selamanya dalam keadaan mantap yang hampir sama, dengan tetesan lambat materi segar mengisi celah - mirip dengan penjahit yang menambahkan tombol baru pada jas yang diubah untuk anak yang sedang tumbuh.

Dalam Dentuman Besar, Alam Semesta yang mengembang menyebabkan materi mencair dari waktu ke waktu, sementara dalam Teori Tunak-Status, penciptaan materi yang berkelanjutan memastikan bahwa kepadatan tetap konstan dari waktu ke waktu. Kredit gambar: E. Siegel.

Salah satu masalah utama dengan skema Hoyle's Steady State, yang dikembangkan bersama dengan Thomas Gold dan Herman Bondi, adalah menjelaskan bagaimana dingin, partikel elementer yang secara bertahap merembes ke ruang angkasa dapat berubah menjadi elemen yang lebih tinggi. Dalam domain itu, teori Big Bang, pada awalnya, mengklaim memiliki semua jawaban. George Gamow, bersama dengan muridnya Ralph Alpher, mengaku menjelaskan keseluruhan penciptaan elemen melalui nukleosintesis Big Bang. Yaitu, mereka berpendapat bahwa kuali api Big Bang menempa semua elemen kimia alami, dari hidrogen hingga uranium, keluar dari blok bangunan proton dan neutron yang lebih sederhana. Mereka menerbitkan karya mereka di sebuah makalah utama "Asal Unsur Kimia," yang muncul pada bulan April 1948.

George Gamow, berdiri (dengan pipa) di sebelah kanan, di Laboratorium Bragg pada 1930/1931. Kredit gambar: Serge Lachinov.

Gamow memiliki selera humor yang luar biasa dan suka memainkan lelucon praktis. Memperhatikan bahwa nama Alpher dan namanya menyerupai huruf pertama dan ketiga dari alfabet Yunani, alfa dan gamma, ketika dia menyerahkan makalah itu, dia memutuskan untuk menambahkan nama fisikawan Hans Bethe, yang terdengar seperti beta, sebagai penulis kedua. Bethe hampir tidak ada hubungannya dengan kertas. Namun, dia adalah seorang ahli nukleosintesis, jadi idenya tidak segila kedengarannya. Karenanya artikel mani secara universal dikenal sebagai kertas alpha-beta-gamma. (Ketika seorang mahasiswa pascasarjana lain Robert Herman bergabung dengan tim, Gamow bercanda menyarankan agar ia mengubah namanya menjadi "Delter," hanya agar sesuai.)

Makalah Alpher-Bethe-Gamow tahun 1948 yang terkenal, yang merinci beberapa poin penting dari Big Bang Nucleosynthesis. Elemen cahaya diprediksi dengan benar; unsur-unsur berat tidak. Kredit gambar: Tinjauan Fisik (1948).

Bangga dengan permainan kata yang cerdas serta gagasan novelnya, Gamow mengirim salinan kertas itu kepada temannya, fisikawan Swedia, Oskar Klein, yang menasihatinya tentang pentingnya. "Tampaknya artikel 'alfabet' ini dapat mewakili alfa ke omega dari produksi elemen," tulis Gamow. "Apa anda suka?" Klein kemudian menjawab:

“Terima kasih banyak telah mengirimi saya kertas alfabet Anda yang menawan. Akankah Anda mengizinkan saya, bagaimanapun, untuk memiliki keraguan tentang yang mewakili 'alpha to omega dari produksi elemen.' Sejauh gamma berjalan, saya tentu saja setuju sepenuhnya dengan Anda dan bahwa awal yang cerah ini memang terlihat paling menjanjikan, tetapi untuk pengembangan lebih lanjut saya melihat kesulitan. "

Memang, respons Klein tepat. Makalah alpha-beta-gamma benar-benar dapat menjelaskan hanya tiga elemen pertama: hidrogen, helium, dan (sampai batas tertentu) lithium. Ini bisa dibangun selangkah demi selangkah, seperti anak tangga, dengan menambahkan proton, neutron, atau deuteron (kombinasi proton-neutron) untuk naik ke isotop berikutnya. Di luar produksi lithium ada masalah fatal: tidak ada isotop massa atom yang stabil (jumlah proton plus neutron) lima atau delapan!

  • Menambahkan proton atau neutron ke helium-4, untuk membuat helium-5 atau lithium-5, akan menyebabkan salah satu membusuk dalam waktu kurang dari 10-21 detik.
  • Menambahkan dua inti helium-4 bersama-sama, untuk membuat berilium-8, menghasilkan peluruhan hanya di bawah 10-16 detik.

Tanpa langkah yang baik melalui massa lima atau delapan, sepertinya tidak ada cara yang baik untuk maju lebih jauh. Tidak ada cara, misalnya, karbon dapat dikumpulkan, terutama dalam waktu yang terbatas ketika alam semesta sedang memanas. Ketika Anda memikirkan elemen yang lebih tinggi dan lebih berat, masalahnya hanya menjadi semakin sulit. Karena itu, tangga nukleosintesis Big Bang hilang dari anak-anak kunci yang membuatnya sebagai deskripsi lengkap dari seluruh tabel periodik.

Perkiraan kelimpahan helium-4, deuterium, helium-3 dan lithium-7 seperti yang diprediksi oleh Big Bang Nucleosynthesis, dengan pengamatan yang ditunjukkan pada lingkaran merah. Meskipun beberapa elemen dibangun oleh Big Bang, sebagian besar tabel periodik tidak. Kredit gambar: tim sains NASA / WMAP.

Hoyle, sementara itu, mengajukan hipotesisnya sendiri bahwa semua unsur yang lebih tinggi di luar helium diproduksi di bintang raksasa merah. Selama satu dekade, dari pertengahan 1940-an hingga pertengahan 1950-an, ia mulai mempertimbangkan berbagai jenis proses nuklir yang dapat membangun unsur-unsur yang lebih tinggi, seperti karbon, nitrogen, dan oksigen dalam inti bintang yang berapi-api. Ini akan membutuhkan suhu yang sangat tinggi untuk jangka waktu yang lama.

Di Caltech, CC (Charles Christian) Lauritsen, seorang ahli fisika nuklir Denmark, telah mendirikan pusat struktur nuklir yang kuat yang disebut Laboratorium Radiasi WK Kellogg. Para peneliti di sana pada 1950-an termasuk mahasiswa pascasarjana Lauritsen William Fowler, dan putra Lauritsen Thomas, seorang ahli fisika ulung dalam haknya sendiri. Laboratorium menjadi terkenal karena penggunaan akselerator partikel untuk mempercepat dan melemparkan partikel menuju target nuklir, yang dalam beberapa kasus menyebabkan transmutasi.

Willie Fowler di Laboratorium Radiasi WK Kellogg di Caltech, yang mengkonfirmasi keberadaan Negara Hoyle dan proses triple-alpha. Kredit gambar: Arsip Caltech.

Ditarik oleh kemampuan Lab Kellogg, Hoyle mengatur banyak kunjungan panjang ke Caltech, dimulai pada tahun 1953. Setelah tiba di lab, ia segera menantang para peneliti untuk menyelidiki hipotesisnya tentang keadaan karbon-12 yang tereksitasi berumur panjang yang bertindak sebagai langkah vital dalam nukleosintesis bintang. Fowler, kedua Lauristens, dan fisikawan lain bernama CW Cook berangkat untuk menemukan keadaan itu dan berhasil segera memproduksinya. Itu memulai kolaborasi yang sangat menguntungkan antara Hoyle, Fowler, dan lainnya. Mereka segera bergabung dengan tim istri dan suami dari astronom Inggris E. Margaret dan Geoffrey Burbidge, yang telah bekerja dengan Hoyle di Cambridge.

Margaret dan Geoffrey Burbidge, pelopor di bidang nukleosintesis bintang. Kredit gambar: Arsip Caltech.

Pada 30 Desember 1956, pekerjaan transmutasi unsur di Kellogg, yang melibatkan pemboman karbon dengan deuteron, ditampilkan di New York Times sebagai bukti untuk teori Steady State yang bertentangan dengan Big Bang. Mengacu pada ceramah yang disampaikan oleh Thomas Lauritsen pada pertemuan tahunan American Physical Society tahun itu, tajuk utamanya berbunyi, “Fisikawan Membuat Helium Karbon; Transmutasi dipuji sebagai Membantu Menjelaskan Asal Mula Alam Semesta; Teori Teori 'Big Bang'. "

Berita utama mengumumkan keberhasilan nukleosintesis bintang ... dan meningkatnya prediksi alpha-beta-gamma dari elemen yang lebih berat. Kredit gambar: New York Times.

Kurang dari setahun kemudian, pada tanggal 1 Oktober 1957, dua Burbidges, Fowler, dan Hoyle (B²FH) diterbitkan dalam Review of Modern Physics, makalah seminar "Sintesis Unsur-unsur dalam Bintang." Dengan memanfaatkan keahlian teoretis Hoyle, pengetahuan pengamatan Burbidges, dan kecakapan eksperimental Fowler (yang ia ambil sebagian dari CC Lauritsen), makalah itu merupakan paparan yang cemerlang tentang bagaimana unsur-unsur dibangun, membaginya menjadi berbagai proses, dimulai dengan pembakaran hidrogen dan pembakaran helium, dan berlanjut ke proses yang disebut "s" (penangkapan neutron lambat), "r" (penangkapan neutron cepat) dan "p" (penangkapan proton) yang melibatkan elemen yang lebih tinggi.

Cara membangun elemen - stabil dan tidak stabil - dari nukleosintesis pada bintang. Kredit gambar: Woosley, Arnett dan Clayton (1974), Astrophysical Journal.

Mereka menunjukkan bagaimana bintang-bintang yang menua yang cukup besar, seperti Red Giants dan Supergiants, dapat menemukan energi yang layak untuk membuat semua elemen hingga besi dalam inti mereka. Elemen yang bahkan lebih tinggi dapat diproduksi dalam kondisi ekstrim dari ledakan supernova, di mana keseluruhan elemen akan dilepaskan ke ruang angkasa.

Sisa-sisa supernova tidak hanya mengusir unsur-unsur berat yang diciptakan dalam ledakan kembali ke Semesta, tetapi keberadaan unsur-unsur itu dapat dideteksi dari Bumi. Kredit gambar: Observatorium X-ray NASA / Chandra.

Keterbatasan utama dari artikel yang beredar adalah kegagalannya untuk memprediksi jumlah besar helium di ruang angkasa. Meskipun semua bintang memadukan hidrogen menjadi helium, mereka hanya akan menciptakan Semesta yang, secara massal, kurang dari 5% helium saat ini. Namun kami mengamati alam semesta di mana lebih dari 25% massanya adalah helium. Untuk menghasilkan persentase itu, Big Bang ternyata diperlukan. Kecocokan dekat prediksi Big Bang dengan rasio hidrogen-ke-helium yang sebenarnya, serta penemuan 1965 oleh Arno Penzias dan Robert Wilson tentang radiasi latar kosmik, desisan radiasi desis dari alam semesta awal, disemen arus utama dukungan para astronom terhadap Big Bang atas Negara Tunak.

Pada pertengahan 1960-an, Hoyle dan Burbidges menjatuhkan teori Steady State yang asli, tetapi bersama dengan siswa Hoyle Jayant Narlikar mengembangkan alternatif dengan "poni kecil" yang disebut keadaan semu-mantap. Sampai kematiannya pada tahun 2001, Hoyle terus merangkul teori itu. Sementara Fowler memenangkan Hadiah Nobel untuk penelitian nuklirnya secara umum, bisa dibilang Hoyle dan Burbidges menerima kredit yang relatif kecil untuk kontribusi seminal mereka.

Pada tahun 2007, bersama dengan Virginia Trimble, saya membantu mengatur sesi pada pertemuan American Physical Society untuk menghormati peringatan 50 tahun makalah B²FH. Geoffrey Burbidge, pada saat itu dalam kondisi kesehatan yang buruk, dibantu oleh seorang perawat, dan terbatas pada kursi roda, hadir dan memberi ceramah. Namun, roh dan suaranya sekuat sebelumnya. Saya ingat dia berbicara tentang orang-orang Big Bang yang seperti lemming yang tidak punya pikiran mengikuti pemimpin mereka di atas tebing. Dia meninggal kurang dari tiga tahun kemudian.

Hari ini Margaret Burbidge, pada usia 97, adalah satu-satunya penulis makalah yang masih hidup, karena kami memperingati ulang tahunnya yang ke-60. Mari bersulang untuk Prof. Burbidge dan almarhum rekan-rekannya, dalam perayaan saat umat manusia menyadari bahwa itu terbuat dari bahan-bahan bintang!

Starts With A Bang berbasis di Forbes, diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Pesan buku pertama Ethan, Beyond The Galaxy, dan pesan di muka berikutnya, Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive!