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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「星における元素の合成」ですが、著者であるマーガレット・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 として知ら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に掲載されました。
B 2 FH論文は恒星核合成理論を概説し、天文学的データと実験データを用いてそれを裏付けた。鉄より重い元素を生成する核合成過程を特定し、それらの相対存在量を説明した。この論文は天文学と原子核物理学の両分野において非常に大きな影響力を持った。
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、あるいはそれに相当する原子核がビッグバン中に合成されたとする宇宙論を提唱した。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に保たれ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の動力源となる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-陽子連鎖（pp連鎖）を導出することにより、恒星のヘリウム核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。このように、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た。彼らの見解によれば、恒星内部での核融合によって生成されるヘリウムは少量であり、ビッグバン時のヘリウムの存在量にわずかに加算されるに過ぎない。この恒星核エネルギーは、大規模な恒星核合成を必要としなかった。炭素より上の元素については、依然として謎のままであった。
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年の論文を皮切りに、1954年にさらに発展させた[ 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、いくつかの軽い原子核（水素、ヘリウム、および少量のリチウム）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H、He、Liのビッグバン核合成理論となった。
B 2 FH 論文は表向きは恒星核合成理論の最近の進歩をまとめたレビュー論文であった。[ 8 ]しかし、バービッジ夫妻が発表した元素存在量の観測測定値やファウラーの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らなかった。その結果、理論と観測の統合が実現し、ホイルの仮説に対する説得力のある証拠が得られた。
この理論は、元素の存在量が宇宙の時間とともに変化すると予測しており、この考えは天体分光法によって検証可能である。各元素は固有のスペクトル線群を持つため、恒星分光法を用いることで個々の恒星の大気組成を推測することができる。観測結果は、恒星の初期の重元素含有量（金属量として知られる）とその年齢との間に強い負の相関があることを示している。より最近形成された恒星は、金属量が高い傾向がある。
初期宇宙はビッグバン核合成で形成された軽元素のみで構成されていた。恒星構造とヘルツシュプルング・ラッセル図は、星の寿命の長さがその初期質量に大きく依存し、質量が最も大きい星は非常に短命で、質量が小さい星は長寿命であることを示している。B 2 FH 論文は、星が死ぬと、星間物質に「重元素」（この場合はリチウムより重いすべての元素）が濃縮され、そこから新しい星が形成されると主張した。
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み出す可能性のあるさまざまな恒星環境と、それらの原因となる核プロセスを特定しました。著者らは、鉄より重い元素を説明するために、現在p プロセス、r プロセス、s プロセスとして知られる核物理プロセスを持ち出しました。これらの重元素とその同位体の存在量は、主要元素の存在量の約 10 万分の 1 であり、これは、大質量星の燃焼殻内での核融合に関するホイルの 1954 年の仮説を裏付けるものでした。[ 7 ]
B 2 FH は、恒星内部での自由中性子の捕獲による鉄より重い元素の核合成を包括的に概説し分析した。しかし、ケイ素からニッケルまでの非常に豊富な元素の合成の理解はそれほど進展しなかった。この論文には、マグネシウムからニッケルまでの元素に寄与する炭素燃焼プロセス、酸素燃焼プロセス、ケイ素燃焼プロセスは含まれていなかった。ホイルは、1954 年の論文で、これらの元素は超新星核合成によって生成される可能性があると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より少ないのは、ホイルの 1954 年の論文を B 2 FH の共著者や一般の天文学者にとっても理解するのが難しかったこと、ホイルが重要な方程式を論文に目立つように書くのではなく言葉だけで説明したこと[ 9 ]など、複数の要因が組み合わさった結果だと述べている。そして、ホイルによるB 2 FH草案の不完全なレビューにも関連している。[ 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年にかけての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ねた。二人は、ホイルの仮説を検証するために必要な恒星の元素存在量に関する広範な研究を最近発表したマーガレット・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。4人はケンブリッジ滞在中、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後にB 2 FHとなるレビューの執筆に取りかかった。ファウラーは研究がまだ完了していない状態で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に来るよう勧めた。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の臨時職を設けた。バービッジ夫妻は、理論を裏付ける広範な天体観測と実験データを追加した後、1956年にカリフォルニア工科大学で最初の完全な草稿を完成させた。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完了した。[ 11 ]最終的な論文は104ページ、34の図、4枚の写真プレート、22の表から構成されているが、こ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の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推測する人もいるが、ジェフリー・バービッジはこれは誤解だと述べている。ファウラーは優れた原子核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いる最中で、後にホイルが知的リーダーだったと述べている。[ 12 ]バービッジ夫妻も1954年から1955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G・バービッジは2008年に書いている。「我々全員が大きな貢献をした」。[ 13 ]
B 2 FHは、原子核天体物理学の分野に科学的な注目を集めた。恒星核合成理論を検証し、観測証拠によってそれを裏付けることで、B 2 FHは天文学者の間でその理論を確固たるものにした。
ファウラーは、おそらくB 2 FHへの貢献により、 1983年のノーベル物理学賞の半分を受賞した。ノーベル委員会は次のように述べている。「[ファウラー]は、多くの共同研究者とともに、1950年代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。」[ 14 ]ファウラーのB 2 FHへの貢献には、s過程とr過程の核物理学が含まれる。
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する人もおり、ビッグバンに関する彼の型破りな見解がノーベル賞の共同受賞を阻んだと主張している。例えば、ジェフリー・バービッジは2008年に「ホイルはこの研究やその他の研究でノーベル賞を受賞するべきだった」と主張した。彼はまた、ホイルが結局何も受賞できなかった理由は「ファウラーがグループのリーダーだと考えられていたから」だと推測した。[ 13 ]バービッジはこの認識は誤りだと主張し、ホイルの1946年[ 15 ]と1954年[ 7 ]の初期の重要な論文を指摘した。
ファウラーは自身のノーベル賞受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・ホイルは私の人生で二番目に大きな影響を与えた人物です。恒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ました。」[ 16 ]
ホイルの伝記作家ミットンは、ホイルがノーベル委員会から除外されたのは、彼が以前、 1974年のノーベル賞でジョスリン・ベル・バーネルを無視したノーベル委員会の不当性を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の出版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の執筆について講演を行った。