ドナルド・D・クレイトン

ドナルド・D・クレイトン
2012年のクレイトン
生まれる	( 1935-03-18 )1935年3月18日 シェナンドー、アイオワ州、米国
死亡	2024年1月3日(2024-01-03)（享年88歳）
母校	カリフォルニア工科大学
受賞歴	NASA 卓越した科学業績賞、アレクサンダー・フォン・フンボルト賞
科学者としてのキャリア
フィールド	天体物理学
機関	ライス大学
論文	恒星における特定の核過程の研究 (1962)
博士課程の指導教員	ウィリアム・アルフレッド・ファウラー
博士課程の学生	スタンフォード・E・ウースリー[1]

ドナルド・デルバート・クレイトン（1935年3月18日 - 2024年1月3日）はアメリカの天体物理学者で、最も顕著な業績は元素合成理論から超新星が極めて放射性であるという予測だった。これによりクレイトンは「恒星の爆発における（化学）元素の形成とこれらの爆発の観測可能な生成物に関する理論天体物理学」に対してNASA例外的科学功績賞（1992年）を受賞した。その後、超新星はその極めて放射性が高い性質から、天文学において最も重要な恒星現象となった。クレイトンは恒星内でのシリコンの爆発的燃焼中に起こる放射性元素合成を発見しただけでなく^{[2] [3] [4]}、それに基づいて超新星から放出された物質が放出する関連するガンマ線線放射という新しいタイプの天文学を予測した。^[5]この論文は、アメリカ天文学会創立100周年記念号で、20世紀の天文学で最も影響力のあった50本の論文の1つに選ばれました。 ^{[6 ] 彼は、ガンマ線観測衛星のためのNASAの新しい予算項目について、影響力のある天文学者や物理学者から支援を集め、 [7]}コンプトンガンマ線観測所への資金調達に成功しました。 放射性超新星ガスに焦点を当てたクレイトンは、放射能によって活性化されるプロセスによって炭素ダストが凝縮する新しい化学経路を発見しました。^[8]

クレイトンは、太陽ニュートリノの謎を利用して人類の起源を寓話にした小説『ジョシュア・ファクター』 （1985年）や、科学に関する自伝および回想録、そして各同位体の起源の歴史を記した『宇宙の同位体ハンドブック』 （ケンブリッジ大学出版、2003年）も執筆している。

クレイトンは2024年1月3日に88歳で亡くなった。^[9]

• アメリカ芸術科学アカデミー会員
• NASA優秀科学功績賞（1992年）^[10]
• 隕石学会レナードメダル（1991年）^[11]
• NASAコンプトンガンマ線観測所の指向性シンチレーション分光計チームに対するNASA公共サービスグル​​ープ功績賞（1992年）^[12]
• アメリカ物理学会ジェシー・ビームス賞（1998年）^[13]
• サウスカロライナ州知事優秀科学賞（1994年）^[14]
• アレクサンダー・フォン・フンボルト賞 (1977 年と 1982 年)ハイデルベルクのマックス・プランク科学研究所主催^[15]
• アメリカ天文学会が選んだ20世紀で最も影響力のある50の研究論文の1つであり、AAS Centennial Volumeの著者でもある^[16]

クレイトンはサザンメソジスト大学3年生の時にファイ・ベータ・カッパに選出された。彼は多くの支援フェローシップを受賞した：国立科学財団博士課程前フェロー（1956年 - 1958年）、アルフレッド・P・スローン財団フェロー（1966年 - 1968年）、フルブライトフェロー（1979年 - 1980年）、ダラム大学セントメアリーズカレッジフェロー（1987年）、^[17]英国ミルトンケインズのオープン大学SERC上級客員研究員（1993年）。1993年、クレイトンはサザンメソジスト大学の卓越した卒業生に選ばれ、^[18]彼は同大学で理学士号を取得してから37年後のことである。

クレイトンは1935年3月18日、アイオワ州シェナンドーのウォルナット通りにある質素な賃貸の2階建て住宅で生まれた。大恐慌のさなか、両親が仕事を求めてフォンタネル近くの実家の農場を一時的に離れていたためである。クレイトンは幼少期のほとんどを農場で過ごし、農場への愛を熱く語っている。^{[19] : 1–6} 1939年、父親がブラニフ航空の副操縦士に就任して家族でダラスに転居した後、クレイトンはテキサスの公立学校に通った。両親は既に名声を博していたハイランドパークの学区内に家を購入し、彼に優れた教育を受けさせた。彼は1953年に92名の生徒^{[19] : 84名}中3位でハイランドパーク高校を卒業した。アイオワ州の親戚の中で初めて高校卒業後の教育を受けたクレイトン氏は、サザンメソジスト大学に入学し、物理学と数学で優秀な成績を収め、 1956年に首席で卒業した。

SMU の教授陣にすすめられて、彼はカリフォルニア工科大学(Caltech)に物理学研究生として応募し、国立科学財団の博士課程前フェローシップを得て入学した。1957 年にCaltech で原子核物理学の講義を受けたとき、クレイトンはウィリアム・アルフレッド・ファウラーから、化学元素は恒星内部で起こる原子核反応によって組み立てられたという新しい理論を学んだ。彼はこの考えに生涯魅了された。^{[20] : 112–114}クレイトンは 1961 年に、恒星内でより豊富な軽い元素による自由中性子の緩やかな捕獲 ( s 過程) による重元素の存在量の増加に関する博士論文を完成させた。クレイトンと妻のメアリー・ルー^{[21] は、}リチャード・ファインマンの講義の録音テープを散文に変換して、有名な「ファインマン物理学講義」の制作に少しだけ関わった。カリフォルニア工科大学は、イギリスの宇宙学者で恒星における元素合成理論の創始者であるフレッド・ホイルと出会い、後に生涯の友人となる機会をクレイトンに与えた。ホイルはクレイトンに生涯強い影響を与えた。クレイトンはファウラー（1983年ノーベル物理学賞受賞者）の研究生（1957年 - 1960年）として、またその後ファウラーの^博士研究員（1961年 - 1963年）としてファウラーと共同で論文を発表し、それがクレイトンの科学者としてのキャリアのスタートとなった。

彼は、重元素元素合成の r 過程の s 過程と高速中性子捕獲連鎖の両方、および恒星でのシリコン燃焼中にシリコンとニッケル間の高放射性存在比を確立する核存在比準平衡の両方について、初めての時間依存モデルを計算し、カリフォルニア工科大学で恒星での元素合成の分野の新人研究者としての地位を確立しました。彼は、元素合成が活気に満ちた現代の最先端だった時代に、この分野に早くから参入しました。引用文献は、以下の元素合成セクションにあります。

クレイトンの学問的経歴とNASAのアポロ計画との歴史的なつながりは、1963年にライス大学が宇宙科学科を設立したことから始まった。ライス大学のこの行動により、1963年にクレイトンは学術的地位に就くことができた。クレイトンはこの幸運を自伝で述べている。^{[19] : 159–163}彼が推進した天体物理学の5つの分野に関する学術研究については、以下のセクション5で詳述する。カリフォルニア工科大学、ライス大学、クレムソン大学の基礎的な学術的地位は、国際的な広がりによって強化された。ケンブリッジ（1967-1974年）とその後のハイデルベルク（1976-82年）での7年間の学術提携、^{[19] : 178}、英国カーディフ（1976年、1977年）での夏季訪問職、^{[19] : 369}、ケンブリッジ（1971年）、ハイデルベルク（1981年）、英国ダラム大学（1987年）での長期休暇などである。^{[19] : 439–442}

カリフォルニア工科大学で2年間（1961年から1963年）博士研究員を務めた後、クレイトンは助教授に任命され、ライス大学に新設された宇宙科学科（後に宇宙物理学・天文学科に改名）の創設教員4人のうちの1人となった。そこで彼は、星の核反応が化学元素の原子生成のメカニズムであると説明する大学院生向けの講座を開始した。その講座に基づいた彼の先駆的な教科書（Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis 、McGraw-Hill 1968年）は、絶賛され続けている。初版から50年が経った2018年でも、この教科書は世界中の大学院教育で広く使われている^[23] 。ライス大学でクレイトンは、1968年に新設されたアンドリュー・ヘイズ・ブキャナン天体物理学教授職を授与され、 1989年にクレムソン大学で新しい天体物理学プログラムを指導する機会に応じるまで、20年間その教授職を務めた。1970年代、ライス大学でクレイトンは、特にスタンフォード・E・ウースリー、ウィリアム・マイケル・ハワード、HC・ゴールドワイヤー、リチャード・A・ワード、マイケル・J・ニューマン、エリアフ・ドゥエック、マーク・レイジング、カート・リフマンなど、名声を得た多くの研究生の博士論文を指導した。ライス大学の卒業論文学生には、ブラッドリー・S・マイヤーとルーシー・ジウリスがおり、2人とも卒業論文の主題で傑出したキャリアを築いた。数人の学生の歴史的写真は、クレイトンの核天体物理学の歴史の写真アーカイブで見ることができる。^[24]クレイトンは、家族と休暇でアイルランドに滞在していた際、歴史的なアポロ11号のミッションを追跡し、3度目の夏の研究のためイギリスのケンブリッジを訪れた。

1966年冬、WAファウラーから突然クレイトンにカリフォルニア工科大学に戻り、ファウラーとフレッド・ホイルと共に元素合成に関する本を共著しないかとの手紙が届いた。クレイトンは自伝の中でこれらの手紙を引用している。 ^[25]彼はその申し出を受け入れたが、本が書かれることはなかった。なぜなら、彼がカリフォルニア工科大学に在籍していた1967年春、フレッド・ホイルからケンブリッジ大学（英国）に招かれ、ホイルが新設した天文学研究所で元素合成の研究プログラムを指導したからである。クレイトンはアルフレッド・P・スローン財団フェロー（1966～68年）を受賞したおかげで、この目的のためにライス大学を休学することができた。クレイトンは1967～72年、ライス大学から研究生を連れてケンブリッジで研究指導力を発揮した。その多作な時期は、1972年にホイルがケンブリッジ大学を突然辞職したことで突然終わりを告げた。 ^{[26]この間、クレイトンは}クレア・ホールの客員研究員であった。ライス大学では、WD・アーネット、SE・ウースリー、WM・ハワードがクレイトンと共同で、爆発的超新星元素合成をテーマにした数多くの革新的な研究を発表した^。 [ ^{27] [28]}ケンブリッジ在学中、クレイトンは共著^者（スターリング・コルゲート、ジェラルド・J・フィッシュマン、ジョセフ・シルク）とともに、放射性核からの線遷移に関するガンマ線天文学の分野において、元素合成源として放射性ガンマ線を放出する核を提案した[5] [29 ]。 20年後、これらのガンマ線が検出され、鉄はファウラーとホイルの両者が主張していた鉄そのものとしてではなく、放射性ニッケル同位体の形で超新星爆発で爆発的に合成されたという決定的な証拠が得られた。

1977年から1984年の間、クレイトンはティル・カーステンの支援を受けて、ハイデルベルクのマックス・プランク原子核物理学研究所に毎年パートタイムで滞在した。ライス大学からの年次休暇がその手助けとなった。そこで彼は隕石協会に参加し、星間塵粒子内の化学元素の同位体の相対的存在比に基づいた新しいタイプの同位体天文学に関する彼の新しく発表された理論的描像^{[30] [31 ] [32 ] [33] [34] [35]の聴衆を求めた。彼はそのような星間粒子が}隕石の中に発見されることを期待した。[ ^{19] : 354–57, 387–95} 。また彼は宇宙化学記憶^[36]と名付けた関連理論も提唱し、これによって星間塵そのものがそこに存在しなくなっても、星間塵の影響を隕石鉱物で測定できるとした。クレイトンは、高温および低温の恒星ガスから熱的に凝縮した星間塵の結晶成分を、新しい科学的名前「スターダスト」で命名した。スターダストは宇宙塵の重要な成分となった。クレイトンは、この新しい理論を推進した初期の論文に対して隕石学者の査読者から強い抵抗を受けたことを述べている^{[19] 。}それでも彼はライス大学でその研究プログラムを設立し、そのテーマについて大学院生の研究を指導し続けた。彼と学生のカート・リフマンは、恒星から放出された後の星間物質における難治性スターダストの生存率の画期的な履歴を計算した。^{[37] [38]}また、学生のマーク・D・ライシングは、新星爆発内の陽電子消滅線の伝播モデル^{[39]と、銀河系内の放射性}アルミニウム²⁶からのガンマ線線の角度分布を計算した。^[40] 1987年に実験室で発見された隕石の 星屑には星の同位体マーカーが明確に含まれていたため、クレイトンは1991年に隕石学会の最高栄誉であるレナードメダルを受賞した。 ^{[41]クレイトンは、その}功績が認められ、 「人類は超新星の固体サンプルを手に持ち、地上の実験室で研究している」と大喜びした。 ^[42]

1989年、クレイトンはクレムソン大学の教授職を引き受け、同大学で天体物理学の大学院研究プログラムを立ち上げた。^{[19] : 第18章}彼はこの学術的セグメント（1989年～現在）を、3人の才能ある若い天体物理学者^{[43]を雇い、}コンプトンガンマ線観測所（数回の延期の後、1991年に開始）との共同研究を活性化することから始めた。その4つの装置はガンマ線ラインの検出に成功し、クレイトンが超新星残骸に存在すると予測していた放射性原子核のいくつかを特定した。クレイトンは10年前、スペースシャトル アトランティス で軌道に乗せられた4つの成功した装置のうちの1つである指向性シンチレーション分光計実験OSSEのためにジェームズ・カーフェスが提出したNASA提案の共同研究者に指名されており、その研究契約をクレムソンに持ち込んだ。同時にクレイトンはクレムソンでスターダスト研究を展開し、同大学の研究者向けに毎年ワークショップを開催した。^[44] 1990年にクレムソンで開催されたNASA主催の最初のワークショップは非常に盛況で、翌年セントルイスのワシントン大学との共催で再び開催され、その後はシカゴ大学とワシントンのカーネギー研究所との共催となった。これらのワークショップでは、新たな同位体の発見の興奮が紹介され、参加者がNASAの月惑星科学会議への論文提出に向けてアイデアを絞り込むのに役立った。それ以外では、参加者のワークショップでの議論は共有も公表もされなかった。

最終的に、彼の独自の新しい目標は、彼の膨大な個人写真コレクションから核天体物理学の歴史に関するウェブベースのアーカイブを収集し^[45]、オリジナルの写真^[46]をアメリカ物理学会の一部門である物理学史センターに寄贈することでした。クレムソン大学でのクレイトンのキャリアの推進力は、1990年から2014年までの写真によってその写真アーカイブによく表れています。2007年に学業を引退した後も、クレイトンは超新星内の塵の凝縮に関わる研究問題に積極的に取り組み^{[47] 、科学的自伝「} Catch a Falling Star」も出版しています。2011年以前に出版されたクレイトンの査読済み研究論文は、http://claytonstarcatcher.com/files/documents/JournalPub.pdf に掲載されています。

クレイトンは3回結婚している。1954年にダラスで^[48] SMUの学生時代にメアリー・ルー・キーシー（1981年にヒューストンで死去）と結婚し、^{[19] : 98–100} 1972年にドイツのセント・ブラシエンで若いドイツ人女性アネット・ヒルデブランド（1981年にヒューストンで離婚）と結婚し、^{[19] : 300–301} 1983年にライス大学礼拝堂で最後にナンシー・アイリーン・マクブライド^{[19] : 412–413}と結婚した。マクブライドは美術と建築の訓練を受けており、現在は芸術家となっている。^[49] メアリー・ルーとの間にはドナルド・ジュニアとデヴォン（死去）が、アネットとの間にはアリア・フィッシャーが、ナンシーとの間にはアンドリューが生まれた。

クレイトンはナンシーとともにサウスカロライナ州セネカにある歴史的なGWジニリアットハウス（1898年）に住んでいた。クレイトンの母と父はともにアイオワ州フォンタネルの家族経営の農場で生まれ、両親^{[19] : 6～9歳}はフォンタネルの農場で一生を過ごした。両親は1850年頃にイギリスとドイツからアイオワに移住してきた。クレイトンの曽祖父のうち2人（ケンベリーとクレイトン）は南北戦争（北部）で戦った。ロバート・M・クレイトンはアトランタの戦いでシャーマン軍に加わって戦った。^[50]

ライス大学在学中、クレイトンは芸術のパトロンであるドミニク・ド・メニルからイタリアの映画監督ロベルト・ロッセリーニを紹介され、二人は共同で、一人の科学者が宇宙論的人生の中で悟りを深めていく様子を描いた映画を構想した。クレイトンは、そのプロジェクトのために一連の経験を提案した^{[19] : 245–249}。1970年の夏、クレイトンはローマで2週間を過ごし、ロッセリーニと毎日一緒にそのプロジェクトに取り組んだが^{[51] [52]}、資金援助が不十分であったか、計画が不十分であったために失敗に終わった。^[53]クレイトンが出版した初期の回想録「The Dark Night Sky: a personal adventure in cosmology」^[54]には、その映画の計画が述べられている。