Дональд Делберт Клейтон (18 марта 1935 г. — 3 января 2024 г.) — американский астрофизик , наиболее заметным достижением которого стало предсказание на основе теории нуклеосинтеза того, что сверхновые чрезвычайно радиоактивны. Это принесло Клейтону Медаль за исключительные научные достижения НАСА (1992 г.) за «теоретическую астрофизику, связанную с образованием (химических) элементов при взрывах звезд и наблюдаемыми продуктами этих взрывов». После этого сверхновые стали важнейшими звездными событиями в астрономии из-за их глубоко радиоактивной природы. Клейтон не только открыл радиоактивный нуклеосинтез во время взрывного горения кремния в звездах [2] [3] [4] , но и предсказал новый тип астрономии, основанный на нем, а именно связанное с ним гамма-линейчатое излучение, испускаемое веществом, выброшенным сверхновыми. [5] Эта статья была выбрана в качестве одной из пятидесяти наиболее влиятельных статей в астрономии в двадцатом веке [6] для Centennial Volume of the American Astronomical Society. Он получил поддержку влиятельных астрономов и физиков для новой статьи бюджета NASA для спутника гамма-обсерватории, [7] добившись успешного финансирования Compton Gamma Ray Observatory . Сосредоточившись на радиоактивном газе сверхновой, Клейтон открыл новый химический путь, заставляющий углеродную пыль конденсироваться там с помощью процесса, который активируется радиоактивностью. [8]
Клейтон также является автором романа «Фактор Джошуа» (1985), притчи о происхождении человечества с использованием тайны солнечных нейтрино; научной автобиографии и мемуаров; а также истории происхождения каждого изотопа « Справочник по изотопам в космосе» (Cambridge Univ. Press, 2003).
Клейтон умер 3 января 2024 года в возрасте 88 лет. [9]
Клейтон был избран в Phi Beta Kappa на третьем году обучения в Южном методистском университете . Он был удостоен множества стипендий поддержки: Национальный научный фонд , додокторант (1956–58); Фонд Альфреда П. Слоуна (1966–68); Фулбрайт-стипендиат (1979–80); Стипендиат колледжа Св. Марии, Даремский университет (1987); [17] Старший приглашенный научный сотрудник SERC, Открытый университет , Милтон-Кинс , Великобритания (1993). В 1993 году Клейтон был назван выдающимся выпускником Южного методистского университета, [18] спустя тридцать семь лет после получения там степени бакалавра наук.
Клейтон родился 18 марта 1935 года в скромном арендованном дуплексе на Уолнат-стрит в Шенандоа, штат Айова , в то время как его родители временно отсутствовали на обеих семейных фермах около Фонтанелла в поисках работы во время Великой депрессии . Клейтон провел большую часть своего раннего детства на этих фермах и с восторгом отзывался о своей любви к ферме. [19] : 1–6 Клейтон посещал государственную школу в Техасе после того, как новая работа его отца в качестве второго пилота в Braniff Airlines перевезла семью в Даллас в 1939 году. Его родители купили дом в уже известной школьной системе Хайленд-Парка , что дало ему прекрасное образование. Он окончил школу третьим в своем классе 1953 года из 92 учеников [19] : 84 из Highland Park High School . Став первым среди своих родственников в Айове, кто стремился получить послешкольное образование, Клейтон поступил в Южный методистский университет и преуспел в физике и математике, окончив его с отличием в 1956 году.
По настоянию своих профессоров из Южного технологического университета он подал заявление в качестве студента-исследователя по физике в Калифорнийский технологический институт (Калтех), который он посещал, имея стипендию Национального научного фонда для подготовки докторантов. На курсе ядерной физики в Калтехе в 1957 году Клейтон узнал от Уильяма Альфреда Фаулера о новой теории, согласно которой химические элементы были собраны внутри звезд путем ядерных реакций, происходящих там. Он был очарован этой идеей на всю жизнь. [20] : 112–114 Клейтон закончил свою докторскую диссертацию в 1961 году о росте распространенности тяжелых элементов вследствие медленного захвата свободных нейтронов ( процесс s ) более распространенными более легкими элементами в звездах. Клейтон и его жена Мэри Лу [21] сыграли небольшую роль в создании знаменитых Фейнмановских лекций по физике, преобразовав записанные на пленку лекции Ричарда Фейнмана в прозу. Калтех предоставил Клейтону возможность познакомиться и впоследствии стать другом на всю жизнь Фреда Хойла , британского космолога и создателя теории нуклеосинтеза в звездах. Хойл оказал сильное влияние на Клейтона на протяжении всей его жизни. Опубликованные совместные работы Клейтона с Фаулером (лауреатом Нобелевской премии по физике 1983 года) в качестве студента-исследователя Фаулера [22] (1957–60) и впоследствии в качестве научного сотрудника Фаулера после получения докторской степени (1961–63) положили начало научной карьере Клейтона.
Он утвердился в Калтехе как новый работник в области нуклеосинтеза в звездах, рассчитав первые зависящие от времени модели как s-процесса , так и цепочек быстрого захвата нейтронов r-процесса нуклеосинтеза тяжелых элементов и квазиравновесия ядерного содержания, которое устанавливает высокорадиоактивное содержание между кремнием и никелем во время горения кремния в звездах. Он пришел в эту область рано, когда нуклеосинтез был ярким современным передовым направлением. Цитаты приведены в разделе «Нуклеосинтез» ниже.
Историческая связь академической карьеры Клейтона с программой НАСА «Аполлон» возникла благодаря созданию в Университете Райса кафедры космических наук в 1963 году. Этот шаг Университета Райса обеспечил Клейтону академическую должность, которую он занял в 1963 году. Клейтон описал эту удачу в своей автобиографии. [19] : 159–163 Его академические исследования в пяти областях астрофизики, которые он отстаивал, подробно описаны в разделе 5 ниже. Основные академические должности в Калтехе, Университете Райса и Университете Клемсона были дополнены международным охватом: семилетние академические связи в Кембридже (1967–1974) и позднее в Гейдельберге (1976–82), [19] : 178 , а также летние должности в Кардиффе, Великобритания (1976, 1977) [19] : 369, а также творческие отпуска в Кембридже (1971), Гейдельберге (1981) и Даремском университете, Великобритания (1987). [19] : 439–442
После двухлетней (1961–63) постдокторской исследовательской стипендии в Калтехе Клейтону была присуждена должность доцента, и он стал одним из четырех основателей факультета на недавно созданном факультете космических наук Университета Райса (позже переименованном в Космическую физику и астрономию). Там он инициировал курс для аспирантов, объясняющий ядерные реакции в звездах как механизм создания атомов наших химических элементов. Его новаторский учебник, основанный на этом курсе ( Принципы звездной эволюции и нуклеосинтеза , McGraw-Hill 1968), заслужил постоянную похвалу. В 2018 году, спустя 50 лет после его первой публикации, он все еще широко используется [23] в последипломном образовании по всему миру. В Райс Клейтон был удостоен недавно учрежденной Эндрю Хейсом Бьюкененом профессорской должности по астрофизике в 1968 году и занимал эту должность в течение двадцати лет, пока не воспользовался возможностью возглавить новую программу по астрофизике в Университете Клемсона в 1989 году. В 1970-х годах в Райсском университете Клейтон руководил докторскими диссертациями многих студентов-исследователей, которые добились известности, особенно Стэнфорда Э. Вусли , Уильяма Майкла Говарда, Х. К. Голдвайра, Ричарда А. Уорда, Майкла Дж. Ньюмана, Элиаху Двека, Марка Лейзинга и Курта Лиффмана. Среди студентов старших курсов Райсского университета были Брэдли С. Мейер и Люси Зиурис , оба из которых построили выдающуюся карьеру в предметах этих старших курсов. Исторические фотографии нескольких студентов можно увидеть в фотоархиве Клейтона по истории ядерной астрофизики. [24] Клейтон следил за исторической миссией Аполлона-11 во время отпуска с семьей в Ирландии, когда он направлялся в Кембридж, Великобритания, на свое третье исследовательское лето.
Письма зимой 1966 года от У. А. Фаулера неожиданно пригласили Клейтона вернуться в Калтех, чтобы стать соавтором книги о нуклеосинтезе с Фаулером и Фредом Хойлом. В своей автобиографии Клейтон цитирует эти письма. [25] Он принял это предложение, но книга так и не была написана, потому что, пока он был резидентом в Калтехе, Клейтон был приглашен Фредом Хойлом в Кембриджский университет (Великобритания) весной 1967 года для руководства исследовательской программой по нуклеосинтезу в недавно созданном Хойлом Институте астрономии . Предоставление Клейтону стипендии Фонда Альфреда П. Слоуна (1966–68) способствовало предоставлению отпусков в Университете Райса для этой цели. Клейтон осуществлял это руководство исследованиями в Кембридже в 1967–72 годах, привозя с собой своих студентов-исследователей из Университета Райса. Этот плодотворный период внезапно закончился неожиданной отставкой Хойла из Кембриджского университета в 1972 году. [26] Клейтон в эти годы был приглашенным научным сотрудником Клэр Холла . В Университете Райса У. Д. Арнетт, С. Э. Вусли и У. М. Говард опубликовали совместно с Клейтоном многочисленные новаторские исследования по теме взрывного нуклеосинтеза сверхновых . [27] [28] Во время учебы в Кембридже Клейтон предложил [5] [29] радиоактивные ядра, испускающие гамма-лучи, в качестве источников нуклеосинтеза для области гамма-астрономии линейных переходов радиоактивных ядер с соавторами ( Стирлинг Колгейт , Джеральд Дж. Фишман и Джозеф Силк ). Обнаружение этих гамма-линий два десятилетия спустя предоставило решающее доказательство того, что железо было синтезировано взрывным путем в сверхновых в форме радиоактивных изотопов никеля , а не как само железо, как утверждали Фаулер и Хойл.
В течение (1977–84) Клейтон ежегодно проживал неполный рабочий день в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге в качестве лауреата премии Гумбольдта , спонсируемой Тиллем Кирстеном. Ежегодные академические отпуска из Университета Райса способствовали этому. Там он присоединился к Метеоритному обществу, ища аудиторию для своей недавно опубликованной теоретической картины [30] [31] [32] [33] [34] [35] нового типа изотопной астрономии, основанной на относительном содержании изотопов химических элементов в межзвездных пылевых частицах. Он надеялся, что такие межзвездные пылевые частицы могут быть обнаружены в метеоритах ; [19] : 354–57, 387–95 , и он также выдвинул связанную теорию, которую он назвал космической химической памятью [36], с помощью которой эффекты звездной пыли могут быть измерены в метеоритных минералах, даже если самой звездной пыли там больше нет. Клейтон обозначил кристаллический компонент межзвездной пыли, который конденсировался термически из горячих и остывающих звездных газов, новым научным названием, звездная пыль . Звездная пыль стала важным компонентом космической пыли . Клейтон описал [19] : Гл. 14 жесткое сопротивление, с которым столкнулись рецензенты-метеоритики его ранних статей, продвигающих эту новую теорию. Тем не менее, он основал эту исследовательскую программу в Университете Райса, где он продолжал руководить исследованиями аспирантов по этой теме. Он и студент Курт Лиффман вычислили новаторскую историю показателей выживаемости тугоплавкой звездной пыли в межзвездной среде после ее выброса из звезд; [37] [38] и со студентом Марком Д. Лейзингом вычислили модель распространения линий аннигиляции позитронов во взрывах новых [39] и углового распределения линий гамма-излучения от радиоактивного 26 Al в галактике. [40] После лабораторного открытия в 1987 году метеоритной звездной пыли , содержащей недвусмысленные изотопные маркеры звезд, Клейтон был награжден в 1991 году медалью Леонарда , высшей наградой Метеоритного общества. Чувствуя себя оправданным, [41] Клейтон ликовал в Nature: «человеческая раса держит в своих руках твердые образцы сверхновых и изучает их в земных лабораториях». [42]
В 1989 году Клейтон принял должность профессора в Университете Клемсона, чтобы разработать там аспирантскую исследовательскую программу по астрофизике. [19] : Гл. 18 Он начал этот академический сегмент (1989–настоящее время), наняв трех талантливых молодых астрофизиков [43] для активизации совместных исследований с Комптоновской гамма-обсерваторией (запущенной в 1991 году после нескольких задержек). Ее четыре прибора успешно обнаружили гамма-линии, идентифицирующие несколько радиоактивных ядер, которые, как предсказывал Клейтон, должны были присутствовать в остатках сверхновых. Десять лет назад Клейтон был назначен соисследователем по предложению НАСА, представленному Джеймсом Курфессом для эксперимента с ориентированным сцинтилляционным спектрометром OSSE , одного из четырех успешных инструментов, выведенных на орбиту космическим челноком Atlantis , и он перенес этот исследовательский контракт в Клемсон. Одновременно Клейтон развивал в Клемсоне свои исследования звездной пыли, введя ежегодные семинары для своих исследователей. [44] Первоначальный спонсируемый NASA семинар в Клемсоне в 1990 году был настолько оживленным, что он был повторен в следующем году совместно с Вашингтонским университетом в Сент-Луисе в качестве соспонсора, а в последующие годы также спонсировался Чикагским университетом и Институтом Карнеги в Вашингтоне . Эти семинары показали волнение от новых изотопных открытий, а также помогли участникам сосредоточить свои идеи для представления тезисов на Лунной и планетарной научной конференции NASA. В противном случае обсуждения участников семинара не были распространены или опубликованы.
В конце концов, уникальной новой целью стало собрать из его большой личной коллекции фотографий веб-архив истории ядерной астрофизики [45] и пожертвовать оригинальные фотографии [46] Центру истории физики, крылу Американского института физики . Направления карьеры Клейтона в Университете Клемсона хорошо представлены в этом фотоархиве фотографиями между 1990 и 2014 годами. После ухода с академических должностей в 2007 году Клейтон оставался весьма активным в исследовательских проблемах, связанных с конденсацией пыли внутри сверхновых [47] , а также опубликовал научную автобиографию Catch a Falling Star . Опубликованные рецензируемые научные статьи Клейтона до 2011 года перечислены на сайте http://claytonstarcatcher.com/files/documents/JournalPub.pdf
Клейтон был женат трижды: в 1954 году в Далласе [48] на Мэри Лу Кизи (умерла в 1981 году, Хьюстон), когда они были студентами Южного методистского университета; [19] : 98–100 в 1972 году в Санкт-Блазиене, Германия, на молодой немке Аннет Хильдебранд (развелась в 1981 году, Хьюстон); [19] : 300–301 в 1983 году в часовне Университета Райса, наконец, на бывшей Нэнси Эйлин Макбрайд [19] : 412–413 , которая обучалась искусству и архитектуре и сегодня является художницей. [49] Его детьми от Мэри Лу были Дональд-младший и Девон (умерла); от Аннет была Алия Фишер; а от Нэнси был Эндрю.
Клейтон проживал с Нэнси в историческом доме GW Gignilliat House (1898) в Сенеке, Южная Каролина . Мать и отец Клейтона оба родились на семейных фермах в Фонтанелле, штат Айова, у родителей [19] : 6–9 лет , которые всю свою жизнь прожили на фермах Фонтанелле. Их собственные родители иммигрировали в Айову около 1850 года из Англии и Германии. Двое прадедов Клейтона (Кембери и Клейтон) воевали в Гражданской войне (на севере). Роберт М. Клейтон воевал в армии Шермана в битве при Атланте. [50]
Во время учебы в Университете Райса Клейтон был представлен покровителем искусств Домиником де Менилом итальянскому кинорежиссеру Роберто Росселлини , и они совместно задумали фильм о углубляющихся познаниях одного ученого в течение космологической жизни, последовательность переживаний, которые Клейтон предложил [19] : 245–249 для этого проекта. Летом 1970 года Клейтон провел две недели в Риме, ежедневно работая с Росселлини [51] [52] над этой попыткой, которая провалилась из-за недостаточной финансовой поддержки или недостаточно театрального плана. [53] Опубликованные ранние мемуары Клейтона «Темное ночное небо: личное приключение в космологии» [54] изложили его план для этого фильма.