Дональд Делберт Клейтон (18 марта 1935 – 3 января 2024) был американским астрофизиком , наиболее заметным достижением которого было предсказание теории нуклеосинтеза о том, что сверхновые очень радиоактивны. Это принесло Клейтону медаль НАСА за выдающиеся научные достижения (1992 г.) за «теоретическую астрофизику, связанную с образованием (химических) элементов при взрывах звезд и наблюдаемыми продуктами этих взрывов». С тех пор 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 также предсказал новый тип астрономии, основанный на этом, а именно связанное с ним гамма-линейное излучение, испускаемое веществом, выброшенным из сверхновых. [5] Эта статья была выбрана в качестве одной из пятидесяти наиболее влиятельных статей по астрономии двадцатого века [6] для столетнего тома Американского астрономического общества. Он заручился поддержкой влиятельных астрономов и физиков для новой статьи бюджета НАСА для спутника гамма-обсерватории, [7] добившись успешного финансирования Комптонской гамма-обсерватории . Сосредоточившись на радиоактивном газе сверхновой, Клейтон обнаружил новый химический путь, вызывающий конденсацию углеродной пыли в результате процесса, активируемого радиоактивностью. [8]
Клейтон также является автором романа « Фактор Джошуа» (1985), притчи о происхождении человечества с использованием тайны солнечных нейтрино; научная автобиография и мемуары; и история происхождения каждого изотопа, Справочник изотопов в космосе (Cambridge Univ. Press, 2003).
Клейтон умер 3 января 2024 года в возрасте 88 лет. [9]
Клейтон был избран в Фи Бета Каппа на третьем году обучения в Южном методистском университете . Он был удостоен множества стипендий поддержки: научный сотрудник Национального научного фонда (1956–58); Сотрудник Фонда Альфреда П. Слоана (1966–68); Товарищ Фулбрайта (1979–80); Член колледжа Св. Марии Даремского университета (1987 год); [17] Старший приглашенный научный сотрудник SERC, Открытый университет , Милтон Кейнс , Великобритания (1993). В 1993 году Клейтон был назван почетным выпускником Южного методистского университета, [18] через 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 находились вдали от обеих семейных ферм недалеко от Фонтанелла в поисках работы во время Великой депрессии . Клейтон провел большую часть своего раннего детства на этих фермах и восхвалял свою любовь к ферме. [19] : 1–6 Клейтон посещал государственную школу в Техасе после того, как в 1939 году новая работа его отца в качестве второго пилота авиакомпании Braniff Airlines перевезла семью в Даллас . Его родители купили дом в уже известной школьной системе Хайленд-Парк , что дало ему отличные образование. В 1953 году он окончил третьим в своем классе из 92 учеников [19] : 84 — из средней школы Хайленд-Парка . Став первым среди своих родственников в Айове, кто стремился получить высшее образование, Клейтон поступил в Южный методистский университет и преуспел в физике и математике, получив диплом с отличием в 1956 году.
По настоянию профессоров СМУ он подал заявление в качестве студента-исследователя-физика в Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт), который посещал, получив стипендию Национального научного фонда. В 1957 году на курсе ядерной физики в Калифорнийском технологическом институте Клейтон узнал от Уильяма Альфреда Фаулера о новой теории, согласно которой химические элементы были собраны внутри звезд в результате происходящих там ядерных реакций. Эта идея захватила его на всю жизнь. [20] : 112–114 Клейтон защитил докторскую диссертацию. В 1961 году защитил диссертацию о росте содержания тяжелых элементов за счет медленного захвата свободных нейтронов ( s-процесс ) более распространенными более легкими элементами в звездах. Клейтон и его жена Мэри Лу [21] сыграли небольшую роль в создании знаменитых лекций Фейнмана по физике, преобразовав записанные на пленку аудиозаписи лекций Ричарда Фейнмана в прозу. Калифорнийский технологический институт предоставил Клейтону возможность встретиться и позже стать другом на всю жизнь Фреда Хойла , британского космолога и создателя теории нуклеосинтеза в звездах. Хойл оказал на Клейтона сильное влияние на всю жизнь. Опубликованные публикации о сотрудничестве Клейтона с Фаулером (лауреатом Нобелевской премии по физике 1983 года) в качестве студента-исследователя Фаулера [22] (1957–60), а затем в качестве постдокторского научного сотрудника Фаулера (1961–63) положили начало научной карьере Клейтона.
Он зарекомендовал себя в Калифорнийском технологическом институте как новый специалист в области нуклеосинтеза в звездах, рассчитав первые нестационарные модели как s-процесса , так и цепей захвата быстрых нейтронов r -процесса нуклеосинтеза тяжелых элементов и ядерного содержания. квазиравновесие, устанавливающее высокорадиоактивное содержание кремния и никеля во время горения кремния в звездах. Он пришел в эту область рано, когда нуклеосинтез был динамичным и современным направлением. Цитаты приведены в разделе «Нуклеосинтез» ниже.
Историческая связь академической карьеры Клейтона с программой НАСА «Аполлон» возникла благодаря созданию в Университете Райса факультета космических наук в 1963 году. Это действие Университета Райса обеспечило академическую позицию, которую Клейтон занял в 1963 году. Клейтон описал эту удачу в своей автобиографии. [19] : 159–163 Его академические исследования в пяти областях астрофизики, отстаиваемые им, подробно описаны в разделе 5 ниже. Основополагающие академические должности в Калифорнийском технологическом институте, Университете Райса и Университете Клемсона были дополнены международным охватом: семилетняя академическая работа в Кембридже (1967–1974), а затем в Гейдельберге (1976–82), [19] : 178, а также посещение летних должностей в Кардиффе, Великобритания (1976, 1977) [19] : 369 , а также творческие отпуска в Кембридже (1971), Гейдельберге (1981) и Даремском университете Великобритании (1987). [19] : 439–442.
После двухлетней (1961–63) постдокторской исследовательской стажировки в Калифорнийском технологическом институте Клейтон был удостоен звания доцента и стал одним из четырех преподавателей-основателей недавно созданного факультета космических наук Университета Райса (позже переименованного в космическую физику и астрономию). Там он инициировал аспирантский курс, 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 первой публикации, он все еще широко используется [23] в последипломном образовании во всем мире. В Райс Клейтон был удостоен звания профессора астрофизики Эндрю Хейса Бьюкенена в 1968 году и занимал эту должность в течение двадцати лет, пока не воспользовался возможностью руководить новой программой астрофизики в Университете Клемсона в 1989 году. В 1970-х годах в Университете Райса Клейтон руководил доктором философии. .Д. тезисы многих студентов-исследователей, добившихся известности, особенно Стэнфорда Э. Вусли , Уильяма Майкла Ховарда, Х.К. Голдвайра, Ричарда А. Уорда, Майкла Дж. Ньюмана, Элиаху Двека, Марка Лейзинга и Курта Лиффмана. В число студентов старших курсов Университета Райса входили Брэдли С. Мейер и Люси Зиурис , которые сделали выдающуюся карьеру в области тем, над которыми работали старшие диссертации. Исторические фотографии нескольких студентов можно увидеть в фотоархиве Клейтона по истории ядерной астрофизики. [24] Клейтон следил за исторической миссией Аполлона-11 во время отпуска со своей семьей в Ирландии и во время поездки в Кембридж, Великобритания, на свое третье исследовательское лето там.
В письмах У. А. Фаулера зимой 1966 года неожиданно предлагалось Клейтону вернуться в Калифорнийский технологический институт, чтобы вместе с Фаулером и Фредом Хойлом написать книгу по нуклеосинтезу . В своей автобиографии Клейтон цитирует эти письма. [25] Он принял это предложение, но книга так и не была написана, потому что, когда он был резидентом Калифорнийского технологического института, Клейтон был приглашен Фредом Хойлом в Кембриджский университет (Великобритания) весной 1967 года для консультирования исследовательской программы по нуклеосинтезу в недавно созданном Институте астрономии Хойла . Присуждение Клейтону стипендии Фонда Альфреда П. Слоана (1966–68) облегчило для этой цели отпуск в Университете Райса. Клейтон руководил исследованиями в Кембридже в 1967–1972 годах, взяв с собой своих студентов-исследователей из Университета Райса. Этот плодотворный период внезапно закончился неожиданным уходом Хойла из Кембриджского университета в 1972 году. [26] Клейтон в эти годы был приглашенным научным сотрудником Клэр Холл . В Университете Райса У.Д. Арнетт, С.Е. Вусли и У.М. Ховард совместно с Клейтоном опубликовали многочисленные инновационные исследования по теме взрывного нуклеосинтеза сверхновых . [27] [ 28 ] Во время работы в Кембридже Клейтон вместе с соавторами ( Стирлинг Колгейт , Джеральд Дж. Фишман и Джозеф Силк ). Обнаружение этих гамма-линий два десятилетия спустя предоставило решающее доказательство того, что железо синтезировалось взрывным способом в сверхновых в форме радиоактивных изотопов никеля , а не в виде самого железа, за что выступали 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. Этому способствовали ежегодные академические отпуска из Университета Райса. Там он присоединился к Метеоритическому 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 веществ. элементы внутри межзвездных пылинок. Он надеялся, что такие межзвездные зерна можно будет обнаружить внутри метеоритов ; [19] : 354–57, 387–95 , а также выдвинул родственную теорию, которую он назвал космической химической памятью [36] , с помощью которой эффекты звездной пыли можно измерить в метеоритных минералах, даже если самой звездной пыли там больше не существует. Клейтон обозначил кристаллический компонент межзвездной пыли, который термически конденсировался из горячих и остывающих звездных газов, новым научным названием « звездная пыль» . Звездная пыль стала важным компонентом космической пыли . Клейтон описал [19] : Ch. 14 жесткое сопротивление, встретившееся со стороны рецензентов-метеористов его ранних статей, продвигающих эту новую теорию. Тем не менее он основал эту исследовательскую программу в Университете Райса, где продолжал руководить исследованиями аспирантов по этой теме. Он и студент Курт Лиффман рассчитали новаторскую историю выживания тугоплавкой звездной пыли в межзвездной среде после ее выброса из звезд; [37] [38] и совместно со студентом Марком Д. Лейзингом рассчитали модель распространения линий аннигиляции позитронов во взрывах новых звезд [39] и углового распределения линий гамма-излучения от радиоактивного 26 Al в галактике. [40] После лабораторного открытия в 1987 году метеоритной звездной пыли , несущей однозначные изотопные маркеры звезд, Клейтон был награжден Медалью Леонарда 1991 года , высшей наградой Метеоритического общества. Чувствуя себя оправданным, [41] Клейтон ликовал, заявив, что «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 программу аспирантских исследований по астрофизике. [19] : Гл. 18 Он начал этот академический сегмент (с 1989 г. по настоящее время) с того, что нанял трех талантливых молодых астрофизиков [43] для оживления совместных исследований с Комптонской гамма-обсерваторией (запущенной в 1991 г. после нескольких задержек). Его четыре инструмента успешно обнаружили линии гамма-излучения, идентифицировав несколько радиоактивных ядер, которые, по предсказанию Клейтона, присутствовали в остатках сверхновых. Десятью годами ранее Клейтон был назначен соисследователем предложения НАСА, представленного Джеймсом Курфессом об эксперименте по ориентированному сцинтилляционному спектрометру OSSE , одном из четырех успешных инструментов, выведенных на орбиту космическим шаттлом «Атлантис» , и он передал этот исследовательский контракт Клемсону. Одновременно Клейтон развивал в Клемсоне свои исследования звездной пыли, проводя ежегодные семинары для своих исследователей. [44] Первоначальный семинар в Клемсоне, спонсируемый НАСА в 1990 году, был настолько оживленным, что его повторили в следующем году совместно с Вашингтонским университетом в Сент-Луисе, спонсируемым, а в последующие годы спонсируемым также Чикагским университетом и Институтом Карнеги. Вашингтон . Эти семинары продемонстрировали волнение по поводу новых изотопных открытий, а также помогли участникам сфокусировать свои идеи для подачи тезисов на Лунную и планетарную научную конференцию НАСА. В противном случае обсуждения участников семинара не были опубликованы или опубликованы.
В конце концов, новой уникальной целью стало собрать из его большой личной коллекции фотографий сетевой архив истории ядерной астрофизики [45] и передать оригинальные фотографии [46] в дар Центру истории физики, отделению Американский институт физики . Направления карьеры Клейтона в Университете Клемсона хорошо представлены в этом фотоархиве фотографиями, сделанными в период с 1990 по 2014 год. После ухода с академических обязанностей в 2007 году Клейтон продолжал весьма активно заниматься исследовательскими проблемами, связанными с конденсацией пыли внутри сверхновых [47] , а также опубликовал научную автобиографию « Поймай падающую звезду» . Опубликованные рецензируемые исследовательские работы Клейтона до 2011 года перечислены по адресу http://claytonstarcatcher.com/files/documents/JournalPub.pdf.
Клейтон женился трижды: в 1954 году в Далласе [48] на Мэри Лу Киси (умерла в 1981 году, Хьюстон), когда они были студентами СМУ; [19] : 98–100 в 1972 году в Санкт-Блазиене, Германия, молодой немке Аннет Хильдебранд (разведена в 1981 году, Хьюстон); [19] : 300–301 в 1983 году в часовне Университета Райса, наконец, бывшей Нэнси Эйлин Макбрайд [19] : 412–413, которая получила образование в области искусства и архитектуры и сегодня является художницей. [49] Его детьми от Мэри Лу были Дональд-младший и Девон (умершие); с Аннет была Алия Фишер; и с Нэнси был Эндрю.
Клейтон проживал с Нэнси в историческом доме GW Gignilliat (1898 г.) в Сенеке, Южная Каролина . Мать и отец Клейтона родились на семейных фермах в Фонтанелле, штат Айова, у родителей [19] : 6–9 , которые прожили всю свою жизнь на фермах Фонтанелле. Их собственные родители иммигрировали в Айову около 1850 года из Англии и Германии. Двое прадедов Клейтона (Кембери и Клейтон) участвовали в Гражданской войне (Север). Роберт М. Клейтон сражался в составе армии Шермана в битве при Атланте. [50]
Во время учебы в Университете Райса покровитель искусств Доминик де Мениль познакомил Клейтона с итальянским режиссером Роберто Росселлини , и они совместно задумали фильм об углублении осознаний одного ученого во время космологической жизни, последовательности опытов, которые Клейтон предложил [19] : 245–249 для обеспечения этого проекта. Летом 1970 года Клейтон провел две недели в Риме, ежедневно работая с Росселлини [51] [52] над этим проектом, который провалился из-за недостаточной финансовой поддержки или недостаточного театрального плана. [53] Опубликованные ранние мемуары Клейтона « Темное ночное небо: личное приключение в космологии» [54] изложили его план для этого фильма.