GODIŠNJICE
Gordana Tomljenović
Vek od otkrića hemijskog sastava zvezda
Temelji istraživanja fuzije
Uz Kopernika, Njutna i Ajnštajna, na čovekov pogled na Univerzuum duboko je uticala astrofizičarka Sesilija Pejn Gapoškin, otkrićem hemijskog sastava zvezda. U svojoj 25. godini, naučnica je time postavila temelje za razumevanje procesa atomske fuzije.
Sesilija Pejn Gapoškin |
„Neverovatne stvari se danas dešavaju u nauci i tehnologiji fuzione energije - ona nikad nije bila bliža upotrebi u komercijalnoj elektromreži, što ima potencijal da potpuno izmeni globalno tržište energije. Zahvaljujući saradnji u modernoj nauci, svi imamo priliku da budemo deo te neverovatne transformacije!“, poruka je „Nedelje fuzione energije“, globalnog skupa koji je u SAD održan u drugoj sedmici maja. Fuzija je, inače, u fokusu naučne javnosti posebno od decembra 2022. godine, kad su američki istraživači u Nacionalne laboratorije „Lorens Livermor” u Kaliforniji po prvi put izveli fuziono paljenje u kontrolisanim laboratorijskim uslovima. Taj istorijski naučni proboj označio je ogroman korak ka mogućnosti da svet uskoro počne da koristi fuziju kao čist, bezbedan i obilan energetski izvor.
Razvoj istraživanja fuzione energije i potencijalnih fuzionih energetskih sistema na Zemlji, smatra se neraskidivo povezanim sa doktorskim radom Sesilije Pejn Gapoškin, britansko-američke astrofizičarke koja je 1925. godine, svojim otkrićem hemijskog sastava zvezda, postavila temelje za razumevanje procesa atomske fuzije. U njenu čast, uz redovne godišnje/bijenalne međunarodne kongrese koji su već šest decenija posvećeni mogućnostima mirnodopskog korišćenja atomske fuzije, redovno se u drugoj sedmici maja organizuje i „Nedjelja fuzione energije“, koja istovremeno obeležava i dan njenog rođenja, 10. maj. Ove godine je „Nedelja fuzije“ bila naročit događaj - obeleženo je punih 100 godina od monumentalnog otkrića do koga je velika astrofizičarka došla u svojoj 25. godini! Uz Kopernika, Njutna i Ajnštajna, Sesilija Pejn Gapoškin je svojom inovacijom iz temelja promenila čovekov pogled na kosmos, potpuno redefinišući razumevanja zvezdane strukture, evolucije i hemijskog sastava kompletnog svemira. Postavila je dobar deo temelja moderne astrofizike i kosmologije, objasnivši zašto zvezde sijaju i zašto su vodonik i helijum najzastupljeniji u kosmosu, sve to direktno povezujući sa Velikim praskom. Njen naučni doprinos je u početku bio zanemaren, delimično i zbog toga što je (bila retka) žena (u nauci), ali je kasnije prepoznat i priznat kao revolucionarno značajan za modernu astrofiziku.
Rađanje astrofizike, spektar boja
|
Od čega su sastavljene zvezde? Šta im daje tako ogromnu energiju? Na koji način nastaje tako ogromna energija, dovoljna za milione godina života zvezda? Sesilija Pejn Gapoškin došla je do pravog odgovora na prva dva fundamentalna pitanje o kosmosu 1924/25, i to je detaljno objasnila u doktorskoj disertaciji pod naslovom „Atmosfere zvezda: Doprinos posmatračkoj studiji visoke temperature u reverznim slojevima zvezda (Stellar Atmospheres: A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars). Primenjujući principe kvantne fizike, hemije i astronomije, prva je među naučnicima koja je shvatila da su zvezde (uključujući i Sunce), kao i sam Univerzuum uglavnom sastavljeni od vodonika i helijuma, kao i da zvezde mogu da se grupišu prema spektrima koji odgovaraju njihovim temperaturama. U svom doktoratu na ondašnjem ženskom Redklif koledžu (danas deo Harvard univerziteta), koji je bio pionirski u (novoj naučnoj) oblasti astrofizike, Pejn je pokazala kako se „dešifruju“ složeni spektri zvezdane svetlosti i kako se na osnovu toga definišu relativne količine hemijskih elemenata koji čine njihov sastav.
Do tada, astronomija se uglavnom bavila posmatranjem i opisivanjem nebeskih objekata, njihovih oblika i putanja, uz preovlađujući konsenzus da zvezde verovatno imaju hemijski sastav sličan Zemljinom. Proučavanje zvezdanog spektra, ili spektroskopija, najznačajniji je alat koji je otvorio put rađanju astrofizike. Spektroskopija je astronomima omogućila da „razlažu“ zvezdanu svetlost (na čitav spektar duginih boja i sve talasne dužine vidljive svetlosti, od ljubičastog do crvenog kraja spektra) i otkrivaju hemiju i fiziku kosmosa, čineći Univerzuum velikom laboratorijom i postavljajući temelje za velika otkrića u astrofizici koja su usledila.
Prvi moderni spektroskop izumeo je nemački optičar Jozef fon Fraunhofer, koji je 1814. godine u spektru boja solarne svetlosti uočio na stotine tamnih linija, ali ne otkrivši njihovo poreklo; nemački naučnici Kirhof i Bunzen otkrili su 1859/1860. da svaki hemijski element pri zagrevanju emituje karakterističan skup spektralnih linija, poput „otiska prsta“, ali da pored tog emisionog spektra postoji i „apsorpcioni spektar“ tamnih (Fraunhoferovih) linija. Revolucionarni iskorak u oblasti spektroskopije, kojim su postavljeni temelji astrofizike, napravio je engleski astronom Vilijam Hagins. On je uspeo da uporedi tamne linije zvezdanog spektra sa svetlim linijama različitih hemijskih elemenata zagrejanih u laboratoriji, te je na osnovu toga zaključeno da su zvezde poput Sunca sastavljene od istih hemijskih elemenata koji postoje i na Zemlji; budući da su elementi poput kalcijuma i gvožđa identifikovani kao izvori nekih od najistaknutijih linija, pretpostavljeno je da su takvi teški elementi među glavnim sastojcima zvezda.
Henri Rasel |
Američki astronom H. N. Rasel je čak zaključio da bi se, sa zagrevanjem Zemljine kore na temperaturu Sunca, dobio gotovo isti svetlosni spektar kao Sunčev.
Kad je Sesilija Pejn Gapoškin došla na Harvard, 1923. godine, sveobuhvatne studije zvezdanih spektara odavno su bile u toku - čuveni američki univerzitet je, prema podacima Američkog muzeja za nacionalnu istoriju, već imao najveću svetsku arhivu zvezdanih spektara na fotografskim pločama. Štaviše, njena američka koleginica Eni Džamp Kenon klasifikovala je spektre nekoliko stotina hiljada zvezda u sedam različitih klasa, prema šemi klasifikacije (zasnovanoj na razlikama u spektralnim karakteristikama), koju je sama osmislila i uredila. Astronomi su, inače, pretpostavili da spektralne klase predstavljaju niz opadajućih površinskih temperatura zvezda, ali niko nije imao znanje potrebno da se te temperature izmere.
Sesilija Pejn je, međutim, već proučavala novu nauku kvantne fizike, te je znala da je obrazac karakteristika u spektru bilo kog atoma određen konfiguracijom njegovih elektrona. Takođe je poznavala i rad indijsko-američkog fizičara Megnada Sahe (iz 1920. godine) o termalnoj jonizaciji atoma, kojim je pokazano kako temperatura i pritisak u atmosferi zvezde određuju stepen do kog su različiti atomi jonizovani.
Izvori zvezdane energije i neverovatni zaključak
Pejn je odmah započela projekt merenja tamnih (Fraunhoferovih) apsorpcionih linija u zvezdanim spektrima i, u roku od dve godine, napisala je doktorsku tezu, u inače prvom doktorskom radu odobrenom na Opservatoriji Harvard univerziteta. U disertaciji je pažljivo analizirala spektre zvezda koristeći tada novorazvijenu teoriju termalne jonizacije M. Sahe, te je pokazala da su tamne apsorpcione linije u zvezdanim spektrima, koje ukazuju na prisustvo različitih hemijskih elemenata, u velikoj meri zavisne od temperature i stanja jonizacije atoma, a ne samo od količine tih elemenata. Pritom je izračunala relativne količine ukupno osamnaest elemenata i pokazala da su hemijski sastavi različitih vrsta zvezda gotovo isti.
Zapanjujuće je, međutim, bilo to što su je proračuni doveli do zaključka da su zvezde sastavljene pretežno od lakih elemenata, vodonika (oko 74 odsto) i helijuma (oko 24 odsto), dok svi ostali teži elementi, poput onih koji su glavnina sastava Zemlje, čine manje od dva odsto zvezdane mase.
Disertacija Sesilije Pejn Gapoškin bila je sinteza pažljivog posmatranja i pedantne teorijske analize, koja je razjasnila složenu interakciju temperature, pritiska i hemijskog sastava u oblikovanju zvezdanih svojstava i unutrašnje mehanike zvezda. Ali, njen inovativni pristup temi potpuno je doveo u pitanje unapred stvorene predstave o zvezdanoj hemiji, i ovo zaista revolucionarno otkriće radikalno je odstupalo od prihvaćenog mišljenja, pa je doktorska teza Sesilije Pejn upućena na pregled njenom starijem kolegi sa Univerziteta Prinston i jednom od najuticajnijih astronoma prve polovine 20. veka, prof. Henriju N. Raselu. Rasel je ocenio da je takav rezultat „očigledno nemoguć“. Da bi zaštitila svoju karijeru i obezbedila dalji naučni rad, u koji je duboko verovala, Pejn je bila primorana da svoju tezu ublaži dodavanjem izjave/komentara da izračunate količine vodonika i helijuma „gotovo sigurno nisu realne“.
HRABRA „ŽENA U NAUCI“ |
|
Kad je upisala Univerzitet u Kembridžu, Sesilija Pejn (1900-1979) je znala da želi da studira neku od prirodnih nauka. Nakon što je čula predavanje astronoma Artura Edintona o njegovoj ekspediciji za posmatranje pomračenja Sunca 1919. godine koje je dokazalo Ajnštajnovu Opštu teoriju relativnosti, shvatila je da će ta nauka biti fizika. „Rezultat je bio potpuna transformacija moje slike sveta. Kad sam se vratila u svoju sobu, otkrila sam da mogu da zapišem predavanje od reči do reči“, kasnije je govorila Sesilija Pejn. U prilici kad je Opservatorija Kembridž organizovala veče otvorenih vrata za javnost, ona je osoblju postavila toliko pitanja da su morali da pozovu u pomoć prof. Edingtona; kazala mu je da želi da bude astronom, pa se još ispostavila da je već pročitala sve knjige koje joj čuveni britanski astronom odmah predložio radi upoznavanja sa materijom. Edington ju je zatim pozvao da koristi biblioteku Opservatorije, sa pristupom svim najaktuelnijim astronomskim časopisima, što joj je široko otvorilo vrata u svet astronomskih istraživanja. Ipak, već u prvim godinama studija, Sesilija Pejn je shvatila da žena u Engleskoj ima male šanse da napreduje dalje od nastavničke uloge, i nikakve šanse da dobije diplomu višeg zvanja, te je 1923. otišla u SAD, gde je ostala do kraja života i gde joj je tada novi direktor Opservatorije Harvard koledža, Harlou Šepli ponudio stipendiju za postdiplomske studije.
Kao prva žena koja je stekla doktorat iz astronomije na Harvardu - u akademskom okruženju kojim dominiraju muškarci - Sesilija Pejn Gapoškin je i u SAD bila suočena sa velikim skepticizmom, ali je ostala nepokolebljiva u svojim naučnim istraživanjima. Od momenta kad je odbranila doktorat, disertacijom koja je odgovorila na jedno od najvećih pitanja svemira, u narednih deceniju i po je obavljala sve uobičajene dužnosti univerzitetskog profesora; ali, kao žena, i na Harvardu je tada mogla da bude samo „tehnički asistent“ prof. Šeplija. Nikad nije izabrana u elitnu američku Nacionalnu akademiju nauka, uprkos tome što je nesumnjivo jedan od najkreativnijih astronoma 20. veka.
S promenama duha vremena, velika naučnica je 1956. godine konačno postavljena za redovnog profesora i čelnika Katedre za astronomiju na Harvardu. Njene kolege astronomi su vremenom počeli da cene njen genije. Ugledni astronom Oto Struve je 1960. godine disertaciju Sesilije Pejn Gapoškin nazvao „najbriljantnijom doktorskom tezom ikad napisanom u astronomiji“. Godine 1976, Američko astronomsko društvo joj je dodelilo prestižnu nagradu “Henri Noris Rasel”. U svom govoru povodom prijema tog priznanja, ona je istakla značaj druge vrste nagrade: „Nagrada za mladog naučnika jeste emocionalno uzbuđenje, u trenutku kad shvati da je prva osoba u istoriji sveta koja je nešto videla ili nešto razumela.“ |
Nakon što se delimično „ogradila“ od svog neverovatnog zaključka, doktorsku tezu je objavila i u obliku knjige „Zvezdane atmosfere“, u kojoj je i za širu (naučnu) javnost predstavila svoje pionirsko istraživanje zvezdanog sastava i fizičkih procesa unutar zvezdanih atmosfera. Knjiga je bila dobro prihvaćena u naučnoj zajednici u oblasti astronomije, i već u narednih nekoliko godina je bilo sve jasnije da su rezultati do kojih je došla Sesilija Pejn Gapoškin - tačni. Rušeći svojim znanjima dotadašnje predstave o hemiji zvezda, mlada naučnica je zapravo postavila osnovne principe koji će uticati na buduća istraživanja u toj oblasti: prvi put je pokazala kako da se „pročita“ površinska temperatura iz spektra bilo koje zvezde; dokazala je da je redosled u klasiranju zvezdanih spektara, koji je osmislila Eni Džamp Kenon, zaista niz opadajućih temperatura, i izračunavala je te temperature; takozvani Hercšprung-Raselov dijagram, grafikon luminoznosti zvezda u odnosu na njihovu spektralnu klasu, i praktično grafička prezentacija životnog veka zvezda, sada je mogao da bude pravilno interpretiran i postao je najmoćniji analitički alat u zvezdanoj astrofizici.
Sesilija Pejn Gapoškin presudno je uticala na istoriju kosmoloških istraživanja odgovorivši na prvo ključno pitanje u astronomiji: od čega su sastavljene zvezde, to jest šta je to što im daje tako ogromnu energiju. Potom je veliki deo svoje karijere posvetila proučavanju varijabilnih (promenjljivih) zvezda, čiji se sjaj menja kroz vreme. Najveći deo tog rada bila je saradnja sa Sergejem Gapoškinom, astronomom ruskog porekla, za koga se i udala 1934. godine. Pejnova i Gapoškin su zajedno obavili bezbrojna posmatranja tih zvezda, što je bilo ključno za razumevanje zvezdane evolucije, i postavilo je temelje za korišćenje promenljivih zvezda (poput Cefeida) kao standardnih repera za merenje različitih udaljenosti u Univerzuumu; ovo je kasnije doprinelo definisanju razumevanju razmera Mlečnog puta, i razumevanju fenomena širenja Univerzuuma.
Ajnštajn, Pejn i Bete
Prva žena koja je stekla doktorat u oblasti astronomije na Harvardu nije tad mogla da odgovori na drugo veliko pitanje o kosmosu: na koji način, kako nastaje ogromna energija zvezda? Ali, njen doprinos razumevanju Univerzuuma - posebno činjenica da je ukazala na ključni kosmički energent vodonik, kao preovlađujući hemijski element u Univerzuumu - otvorio je put drugim naučnicima da traže taj odgovor.
Oni koji su, idući stopama Sesilije Pejn Gapoškin, došli do rešenja bili su naučnici koji su objasnili na koji način fuzija vodonika stvara ogromnu energiju zvezda - (nuklearnu) fuzionu energiju koja je fundamentalna za postojanje Univerzuuma. Najznačajnija imena u tom poglavlju naučne istorije, i istorije razvoja nuklearne astrofizike, bili su nemačko-američki fizičar Hans Bete (1906/2005), američki astrofizičar Fred Hojl (1915/2001) i njegov sunarodnik i kolega Vilijam Fauler (1911/1995). Albert Ajnštajn nije direktno proučavao proces zvezdane fuzije, ali je njegov rad bio apsolutno neophodan za razumevanje tog procesa - reč je o najpoznatijoj Ajnštajnovoj jednačini o odnosu mase i energije, E=mc2, koja je pružila teorijsku osnovu za dešifrovanje na koji način fuzija oslobađa energiju.
Eni Džamp Kenon |
Hans Bete je autor dva revolucionarna rada iz 1938. i 1939. godine, u kojima je predložio specifične nuklearne reakcije, odnosno dva različita procesa fuzije koji pokreću zvezde; za taj rad je 1967. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Fred Hojl se, pak, fokusirao na to kako fuzija stvara elemente teže od helijuma, te se smatra pionirom teorije zvezdane nukleosinteze, procesa kojim zvezde proizvode sve hemijske elemente u Univerzuumu. Fauler je sarađivao sa Hojlom, eksperimentalno je potvrdio mnoge teorijske reakcije koje je Hojl predložio, i takođe je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku (1983) za doprinos razumevanju formiranja hemijskih elemenata u univerzumu.
U najkraćem, Sesilija Pejn-Gapoškin je otkrila „gorivo“ (hemijske elemente koji čine zvezde), rad Hansa Betea je opisao kako mehanički radi „motor“ (proces fuzione reakcije), dok je Ajnštajnov rad obezbedio razumevanje „mehanizma“, osnovnog zakona fizike koji objašnjava zašto proces fuzije uopšte generiše toliko energije.
O naučnom delu Sesiliji Pejn Gapoškin svedoči i činjenica da naučnica nije zaboravljena ni danas, kad je nauka gotovo nadomak da energiju Sunca „proizvede“ i koristi i na Zemlji. „ (…) Odgovore na ova pitanja znamo zahvaljujući dr Sesiliji Pejn-Gapoškin koja je otkrila da su zvezde, pa i naše Sunce, uglavnom sastavljene od vodonika i helijuma. Ovi elementi su „gorivo“ koje pokreće fuzione reakcije unutar Sunca, u džinovskom fuzionom motoru, a mi danas zajedno radimo na izgradnji fuzionih motora ovde na Zemlji. Pridružite se pokretu da se snaga zvezda donese na Zemlju“, nedavna je poruka „Nedelje fuzione energije“. Napredak je svakako veliki jer, za razliku od zvezda, gde ogromna toplota i gravitacioni pritisci održavaju fuzione reakcije milijardama godina, stvaranje i kontrola fuzionih reakcija na Zemlji zahteva ekstremne pritiske i temperature. Ipak, od prvih fuzionih eksperimenata iz prve polovine 20. veka, neprestano se napreduje u unapređenju tehnologija ka komercijalnom fuzionom sistemu. Nakon više decenija istraživanja i razvoja, naučna zajednica veruje da je danas na samom pragu korišćenja moći fuzije za proizvodnju održivog i gotovo neograničenog izvora električne energije, koji je pre jednog veka otkrila Sesilija Pejn Gapoškin.
Univerzitet Harvard astrofizika |
Gordana Tomljenović
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
