B2FH 論文

B ² FH論文^[1]は、化学元素の起源に関する画期的な科学論文でした。論文のタイトルは「星の中の元素の合成」ですが、著者のマーガレット・バービッジ、ジェフリー・バービッジ、ウィリアム・A・ファウラー、フレッド・ホイルの頭文字をとって「B ² FH」と呼ばれるようになりました。この論文は1955年から1956年にかけてケンブリッジ大学とカリフォルニア工科大学で執筆され、 1957年に Reviews of Modern Physics誌に掲載されました。

B ² FH 論文は恒星内元素合成理論を概説し、天文学的データと実験データでそれを裏付けました。鉄より重い元素を生成する元素合成プロセスを特定し、それらの相対的存在量を説明しました。この論文は天文学と原子核物理学の両方に大きな影響を与えました。

^{B 2} FH論文の発表に先立ち、ジョージ・ガモフは、ほぼすべての化学元素、つまり原子核がビッグバンで合成されたとする宇宙論を唱えていた。ガモフの理論（現在のビッグバン元素合成理論とは異なる）は、化学元素の存在量が時間の経過とともにほぼ一定のままであることを示唆している。アーサー・エディントンは、 1920年に、核融合による水素からヘリウムへの変換が、恒星を動かすのに必要なエネルギーを提供できると推測していた。 ^{[2] [3]}ハンス・ベーテとチャールズ・L・クリッチフィールドは、 1938年に陽子-陽子鎖（pp鎖）を導出することにより、恒星におけるヘリウムの融合のメカニズムを示した。^[4]カール・フォン・ヴァイツゼッカー^[5]とハンス・ベーテ^[6]は、それぞれ1938年と1939年に独立してCNOサイクルを導出した。したがって、ガモフらは、水素とヘリウムの存在量が完全に一定ではないことを知っていました。彼らの見解によれば、恒星の核融合によって少量のヘリウムが生成され、ビッグバンからの存在量にわずかに加わるだけです。この恒星の核エネルギーには、恒星での大規模な元素合成は必要ありませんでした。炭素以上の元素は謎のままでした。

フレッド・ホイルは重元素の起源に関する仮説を提唱した。1946年の論文から始まり、1954年に拡張された^{[7]ホイルは、}リチウムより重い原子核はすべて恒星で合成されたと提唱した。両方の理論は、一部の軽い原子核（水素、ヘリウム、少量のリチウム）は恒星で生成されなかったという点で一致しており、これが現在受け入れられているビッグバンでのH、He、Liの元素合成理論となった。

B ² FH論文は、表面上は恒星内元素合成理論の最近の進歩をまとめたレビュー記事でした。^[8]しかし、バービッジ夫妻が発表した元素存在比の観測測定とファウラーの原子核反応に関する実験室実験を取り入れることで、ホイルの研究を単にレビューするだけにとどまりませんでした。その結果、理論と観測が統合され、ホイルの仮説に説得力のある証拠がもたらされました。

この理論は、元素の存在量が宇宙の時間の経過とともに変化すると予測しており、この考えは天文分光法によって検証できる。各元素には特徴的なスペクトル線のセットがあるため、恒星分光法を使用して個々の恒星の大気組成を推測することができる。観測によると、恒星の初期の重元素含有量（金属量として知られる）とその年齢の間には強い負の相関関係があることが示されている。最近形成された恒星ほど金属量が高くなる傾向がある。

初期の宇宙は、ビッグバン元素合成中に形成された軽元素のみで構成されていました。恒星の構造とヘルツシュプルング・ラッセル図は、恒星の寿命の長さは初期の質量に大きく依存し、最も質量の大きい恒星は非常に短命で、質量の小さい恒星は長命であることを示しています。B ² FH の論文では、恒星が死ぬと、星間物質が「重元素」（この場合はリチウムより重いすべての元素）で豊かになり、そこから新しい恒星が形成されると主張しました。

B ² FH 論文では、恒星がこれらの重元素を生成する仕組みに関わる核物理学と天体物理学の重要な側面について説明しました。核種の表を精査することで、著者らは、観測された同位体存在比パターンを生成する可能性のあるさまざまな恒星環境と、それらの原因であるはずの核過程を特定しました。著者らは、現在p 過程、r 過程、s 過程として知られている核物理学の過程を利用して、鉄よりも重い元素を説明しています。これらの重元素とその同位体の豊富さは、主要元素のおよそ 10 万分の 1 であり、これは、1954 年にホイルが提唱した、大質量星の燃える殻内で核融合が起こるという仮説を裏付けました。^[7]

B ² FH は、恒星内での自由中性子の捕獲による鉄より重い元素の元素合成を包括的に概説し、分析した。しかし、シリコンからニッケルまでの非常に豊富な元素の合成についての理解はほとんど進展しなかった。この論文には、マグネシウムからニッケルまでの元素の生成に寄与する炭素燃焼過程、酸素燃焼過程、シリコン燃焼過程は含まれていなかった。ホイルは、1954 年の論文で、これらの過程は超新星による元素合成によるものである可能性をすでに示唆していた。 ^[7] ドナルド・D・クレイトンは、ホイルの 1954 年の論文の引用数が B ² FHより少ない理由として、B ² FH の共著者や天文学者一般にとってもホイルの 1954 年の論文を理解するのが難しかったこと、ホイルが主要な方程式を論文の中で目立つように書かずに言葉だけで説明していたこと^[9]など、いくつかの要因が重なった結果であると考えている。また、ホイルによるB2FH草案の不完全なレビューにも起因する^。 [ ^10]

カリフォルニア工科大学の原子核物理学者ウィリアム・アルフレッド・ファウラーは、 1954年から1955年にかけてサバティカル休暇を利用してケンブリッジのホイルを訪問した。2人はマーガレット・バービッジとジェフリー・バービッジをケンブリッジに招いた。この2人は、ホイルの仮説を検証するために必要な恒星の存在比に関する広範な研究を最近発表していたからである。4人はケンブリッジ滞在中にいくつかのプロジェクトで協力し、ファウラーとホイルはB ² FHとなるレビューに取り組み始めた。ファウラーは、まだ完成には程遠い研究を抱えたままカリフォルニア工科大学に戻り、バービッジ夫妻にカリフォルニアで合流するよう勧めた。ファウラーは、この目的のために1956年にカリフォルニア工科大学でバービッジ夫妻のために臨時の職を設けていた。^[要出典]最初の完全な草稿は、理論を裏付ける広範な天文観測と実験データを追加した後、1956年にバービッジ夫妻によってカリフォルニア工科大学で完成された。論文の筆頭著者であるマーガレット・バービッジは、妊娠中に研究の大部分を終えた。^[11]最終的な論文は104ページあり、34の図表、4枚の写真プレート、22の表が含まれている。これだけの長さにもかかわらず、要約はない。^[1]

1956年にカリフォルニア工科大学で論文執筆と投稿が行われたことから、ファウラーがグループのリーダーだったと考える者もいるが、ジェフリー・バービッジはこれは誤解だと述べた。ファウラーは優れた原子物理学者ではあったが、1955年当時はまだホイルの理論を学んでおり、後にホイルが知的リーダーだったと述べた。^[12]バービッジ夫妻も1954年から55年にかけてケンブリッジでホイルの理論を学んだ。「グループにリーダーはいなかった」とバービッジは2008年に書いている。「私たち全員が多大な貢献をした」^[13]

B ^{2 FH は}核天体物理学の分野に科学的な注目を集めました。恒星内元素合成の理論を再検討し、それを観測証拠で裏付けることで、B ² FH は天文学者の間でその理論を確固たるものにしました。

ファウラーは1983年のノーベル物理学賞の半分を授与されたが、これはおそらくB ² FHへの貢献によるものである。ノーベル委員会は「[ファウラー]は1950年代に多くの同僚とともに、宇宙における化学元素の形成に関する完全な理論を開発した」と述べた。^{[14]ファウラーのB 2} FHへの貢献には、s過程とr過程の原子物理学が含まれていた。

フレッド・ホイルもこのテーマに関する理論的研究で同様の評価を受けるに値すると主張し、ビッグバンに関する彼の非正統的な見解がノーベル賞の共同受賞を阻んだと主張する者もいる。例えば、ジェフリー・バービッジは2008年に「ホイルはこの研究と他の研究でノーベル賞を受賞すべきだった」と主張した。彼はまた、ホイルが何も得られなかった理由は「ファウラーがグループのリーダーだと信じられていた」ためだと推測した。^{[13]バービッジはこの認識は誤りであると主張し、1946年[15]}と1954年^[7]のホイルの初期の基礎論文を指摘した。

ファウラーは自身のノーベル賞講演でホイルについて次のように書いている。「フレッド・ホイルは私の人生に2番目に大きな影響を与えた。星における元素合成という壮大な概念は、1946年にホイルによって初めて明確に確立された。」^[16]

ホイルの伝記作家ミトンは、ホイルがノーベル委員会から除外されたのは、1974年のノーベル賞でジョスリン・ベル・バーネルをノーベル賞の対象から外したことに対する不当性を以前に批判していたためではないかと推測している。^[17]

2007年にカリフォルニア州パサデナのカリフォルニア工科大学でB ² FH出版50周年を記念する会議が開催され、^{[18]ジェフリー・バービッジがB 2} FHの執筆に関するコメントを発表しました。

• アルファー・ベーテ・ガモフ論文

• Burbidge, E. Margaret; Burbidge, GR; Fowler, William A.; Hoyle, F. (1957). 「星の中の元素の合成」.現代物理学レビュー. 29 (4): 547–650. Bibcode :1957RvMP...29..547B. doi : 10.1103/RevModPhys.29.547 .