โนเบล 1967: ฮันส์ เบเทอ ไขความลับว่าดาวส่องแสงได้อย่างไร

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1967 มอบให้ ฮันส์ เบเทอ "สำหรับผลงานต่อทฤษฎีปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยเฉพาะการค้นพบเกี่ยวกับการผลิตพลังงานในดาวฤกษ์"

ปริศนาเก่าแก่

ในคริสต์ศตวรรษที่ 19 ลอร์ดเคลวินคำนวณว่าถ้าดวงอาทิตย์ส่องแสงจากพลังงานโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาขณะหดตัว มันจะอยู่ได้เพียงราวสิบถึงสามสิบล้านปี แต่นักธรณีวิทยาและชาร์ลส์ ดาร์วินต้องการเวลาหลายร้อยล้านปีขึ้นไป เพื่ออธิบายชั้นหินและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต ความขัดแย้งนี้ค้างคาอยู่จนกระทั่งการค้นพบฟิสิกส์นิวเคลียร์ ในปี ค.ศ. 1920 อาร์เทอร์ เอดดิงตัน เสนอว่าดวงอาทิตย์อาจได้พลังงานจากการรวมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม เพราะฮีเลียมหนักน้อยกว่าไฮโดรเจนสี่อะตอมราว 0.7% แต่ยังไม่มีใครรู้รายละเอียดว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

อุโมงค์ควอนตัม

อุปสรรคใหญ่คือโปรตอนมีประจุบวกจึงผลักกันอย่างแรง ที่อุณหภูมิในแกนดวงอาทิตย์ราว 15 ล้านเคลวิน โปรตอนส่วนใหญ่มีพลังงานน้อยกว่าที่ต้องใช้เอาชนะแรงผลักไฟฟ้าหลายร้อยเท่า ในปี ค.ศ. 1928 จอร์จ กาโมว์ แสดงว่ากลศาสตร์ควอนตัมอนุญาตให้อนุภาคทะลุผ่านกำแพงพลังงานได้ด้วยความน่าจะเป็นเล็ก ๆ ทำให้ฟิวชันเกิดได้แม้อุณหภูมิไม่สูงพอตามฟิสิกส์คลาสสิก

สองเส้นทางของเบเทอ

ในปี ค.ศ. 1938 และ 1939 เบเทอวิเคราะห์ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ทั้งหมดอย่างเป็นระบบ และพบเส้นทางหลักสองเส้น

• ลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน โปรตอนสองตัวรวมกันเป็นดิวเทอเรียม โดยโปรตอนตัวหนึ่งเปลี่ยนเป็นนิวตรอนผ่านแรงอย่างอ่อน แล้วต่อด้วยขั้นอื่น ๆ จนได้ฮีเลียม เป็นเส้นทางหลักในดวงอาทิตย์และดาวมวลน้อย
• วัฏจักรซีเอ็นโอ ใช้นิวเคลียสคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ฮีเลียมเช่นกัน โดยคาร์บอนกลับมาเหมือนเดิมเมื่อครบรอบ ไวต่ออุณหภูมิมากกว่า จึงเป็นเส้นทางหลักในดาวที่หนักกว่าดวงอาทิตย์ราว 1.3 เท่าขึ้นไป

ผลรวมของทั้งสองเส้นทางคือ

ทั้งสองเส้นทางให้ผลสุดท้ายเหมือนกัน คือนิวเคลียสไฮโดรเจนสี่ตัวกลายเป็นฮีเลียมหนึ่งตัว พร้อมโพซิตรอนสองตัว นิวทริโนสองตัว และพลังงานราว 26.7 MeV

การยืนยัน

ปฏิกิริยาเหล่านี้ปล่อยนิวทริโนออกมา การตรวจจับนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ซึ่งเริ่มในคริสต์ทศวรรษ 1960 จึงเป็นการทดสอบทฤษฎีของเบเทอโดยตรง และนำไปสู่ปริศนานิวทริโนจากดวงอาทิตย์และการค้นพบว่านิวทริโนมีมวล ในปี ค.ศ. 2020 การทดลองบอเรซิโนในอิตาลีตรวจพบนิวทริโนจากวัฏจักรซีเอ็นโอในดวงอาทิตย์ได้เป็นครั้งแรก ยืนยันว่าเส้นทางที่สองก็เกิดขึ้นจริงแม้จะเป็นส่วนน้อย (ราว 1% ของพลังงานดวงอาทิตย์) เบเทอยังมีชีวิตทำงานวิจัยจนอายุเกือบ 99 ปี