För nästan 70 år sedan, astronomen Paul Merrill tittade på himlen genom ett teleskop vid Mount Wilson Observatory i Pasadena, Kalifornien. När han såg ljuset som kom från en avlägsen stjärna, han såg signaturer av elementet technetium.

Detta var helt oväntat. Technetium har inga stabila former - det är vad fysiker kallar ett "artificiellt" element. Som Merrill själv uttryckte det med lite underdrift, "Det är förvånande att hitta ett instabilt element i stjärnorna."

Varje teknetium närvarande när stjärnan bildades borde ha förvandlat sig till ett annat element, såsom rutenium eller molybden, för väldigt länge sedan. Som ett konstgjort element, någon måste ha nyligen skapat technetium Merrill spotted. Men vem eller vad kunde ha gjort det i den här stjärnan?

Den 2 maj, 1952, Merrill rapporterade sin upptäckt i tidskriften Science. Bland de tre tolkningar som Merrill erbjöd var svaret:Stjärnor skapar tunga element! Merrill hade inte bara förklarat en förvirrande observation, han hade också öppnat dörren för att förstå vårt kosmiska ursprung. Inte många upptäckter inom vetenskapen förändrar helt vår syn på världen - men den här gjorde det. Den nyligen avslöjade bilden av universum var helt enkelt häpnadsväckande, och konsekvenserna av denna upptäckt driver fortfarande kärnteknisk forskning idag.

Var kommer elementen ifrån?

I början av 1950 -talet det var fortfarande oklart hur de element som utgör vårt universum, vårt solsystem, även våra mänskliga kroppar, skapades. Initialt, det mest populära scenariot var att de alla gjordes i Big Bang.

Första alternativa scenarier utvecklades av tidens kända forskare, som Hans Bethe (Nobelpriset i fysik, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Max-Plank-medaljen, 1957), och Fred Hoyle (Royal Medal, 1974). Men ingen hade riktigt kommit fram till en övertygande teori om elementernas ursprung - tills Paul Merrill observerade.

Merrills upptäckt markerade födelsen av ett helt nytt fält:stjärnnukleosyntes. Det är studiet av hur elementen, eller närmare bestämt deras atomkärnor, syntetiseras i stjärnor. Det tog inte lång tid för forskare att börja försöka ta reda på exakt vad processen med elementsyntes i stjärnor innebar. Det var här kärnfysiken fick spela in, för att förklara Merrills fantastiska observation.

Smältande kärnor i hjärtat av en stjärna

Bit för bit, element för element, kärnprocesser i stjärnor tar de rikliga väteatomerna och bygger tyngre element, från helium och kol ända till technetium och bortom.

Fyra framstående kärnfysiker (astro) på den tiden arbetade tillsammans, och 1957 publicerade "Synthesis of the Elements in Stars":Margaret Burbidge (Albert Einstein World Award of Science, 1988), Geoffrey Burbidge (Bruce -medaljen, 1999), William Fowler (Nobelpriset i fysik, 1983), och Fred Hoyle (Royal Medal, 1974). Publikationen, känd som B2FH, är fortfarande en referens för att beskriva astrofysiska processer i stjärnor. Al Cameron (Hans Bethe -priset, 2006) samma år självständigt fram till samma teori i sin uppsats "Kärnreaktioner i stjärnor och nukleogenes."

Här är historien de satte ihop.

Stjärnor är tunga. Du skulle tro att de skulle kollapsa i sig själva på grund av sin egen gravitation - men det gör de inte. Det som förhindrar denna kollaps är kärnfusionsreaktioner som händer i stjärnans centrum.

Inom en stjärna finns miljarder och miljarder atomer. De zoomar runt, ibland krockar med varandra. Initialt är stjärnan för kall, och när atomkärnor kolliderar studsar de helt enkelt av varandra. När stjärnan komprimeras på grund av sin gravitation, fastän, temperaturen i mitten ökar. Under sådana heta förhållanden, nu när kärnor stöter på varandra har de tillräckligt med energi för att gå samman. Detta är vad fysiker kallar en kärnfusionsreaktion.

Dessa kärnreaktioner tjänar två syften.

Först, de släpper ut energi som värmer stjärnan, ger det yttre trycket som förhindrar dess gravitationskollaps och håller stjärnan i balans i miljarder år. Andra, de smälter ihop ljusa element till tyngre element. Och långsamt, börjar med väte och helium, stjärnor kommer att göra det technetium som Merrill observerade, kalcium i våra ben och guld i våra smycken.

Många olika kärnreaktioner är ansvariga för att allt detta händer. Och de är extremt svåra att studera i laboratoriet eftersom kärnor är svåra att smälta ihop. Det är därför, i mer än sex decennier, kärnfysiker har fortsatt att arbeta för att få grepp om de kärnreaktioner som driver stjärnorna.

Astrofysiker utvecklar fortfarande elementets ursprung

Idag finns det många fler sätt att observera signaturerna för elementskapande i hela universum.

Mycket gamla stjärnor registrerar universums sammansättning långt tillbaka vid tidpunkten för bildandet. När fler och fler stjärnor i olika åldrar hittas, deras kompositioner börjar berätta historien om elementsyntes i vår galax, från dess bildning strax efter Big Bang till idag.

Och ju fler forskare lär sig, ju mer komplex bilden blir. Under det senaste årtiondet, observationer gav bevis för ett mycket bredare utbud av elementskapande processer än förväntat. För några av dessa processer, vi vet inte ens ännu i vilken typ av stjärnor eller stjärnexplosioner de inträffar. Men astrofysiker tror att alla dessa stjärnhändelser har bidragit med deras karaktäristiska blandning av element i det virvlande dammmolnet som slutligen blev vårt solsystem.

Det senaste exemplet kommer från en sammanslagning av neutronstjärnor som spåras av gravitationella och elektromagnetiska observatorier runt om i världen. Denna observation visar att även sammanslagna neutronstjärnor ger ett stort bidrag till produktionen av tunga element i universum-i detta fall de så kallade Lanthanides som innehåller element som Terbium, Neodynium och Dysprosium används i mobiltelefoner. Och precis som när Merrill upptäckte, kärntekniska forskare runt om i världen kryper, arbetar övertid vid sina acceleratorer, för att ta reda på vilka kärnreaktioner som möjligen kan förklara alla dessa nya observationer.

Upptäckter som förändrar vår syn på världen händer inte varje dag. Men när de gör det, de kan ge fler frågor än svar. Det krävs mycket extra arbete för att hitta alla bitar i det nya vetenskapliga pusslet, sätt ihop dem steg för steg och kommer så småningom fram till en ny förståelse. Avancerade astronomiska observationer med moderna teleskop fortsätter att avslöja fler och fler hemligheter gömda i avlägsna stjärnor. Toppmoderna acceleratoranläggningar studerar kärnreaktionerna som skapar element i stjärnor. Och sofistikerade datormodeller sätter ihop allt, försöker återskapa de delar av universum vi ser, samtidigt som de sträcker sig ut mot de som fortfarande gömmer sig tills nästa stora upptäckt.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.