星に関する研究は、通常は宇宙を観測することで行われる。しかし、最近の特殊なケースとして、北京師範大学のLiyong Zhang研究員率いる科学者グループは、地下の実験室で核融合実験を行い、星の形成に新しい光を当てた事が報じられた。

科学者たちは、地表に到達する宇宙放射線から装置を保護するために、地下深くで核融合反応を実行したのだ。

この核融合実験は、中国の金平山の地下約1.5マイルで行われた。詳細は、『Nature』誌の新しい論文に記されている。この結果は、これまで発見された中で最も古い星の一つに関する長年の謎を解き明かすものだ。

天文学者は長い間、星の種族の中で宇宙誕生後に初めて形成されたと考えられる初代星「種族III」に分類される星を直接観測しようと努めてきた。この星は、ビッグバンから2億5千万年後に誕生したと考えられている。しかし、これまでこれらの星を直接観測したことはなく、ほとんどは何年も前に超新星爆発を起こしたと考えられている。

その一例として、SMSS0313-6708という星がある。この星は136億歳で、これまで観測された中で最も古い星の一つだ。この星は地球からわずか6,000光年の距離にあり、このような古い星で予想されるよりも高い濃度のカルシウム元素を含んでいるため、その形成については謎に包まれていた。

この謎を解明するため、Zhang研究員らは、古代の星がカルシウムなどの重い元素を生成するのに必要な核反応を模倣することに着手した。

実験は、山の中腹にある深さ2,400メートルの地下トンネルからなる中国金平地下実験室（CJPL）内で行われた。素粒子・原子核物理学の実験施設としては、世界で最も深い場所にある。

地下施設は、地表に届く宇宙線から実験を保護し、地上では核融合実験に必要な非常に精密な機器を混乱させる。核融合は、太陽がエネルギーを生み出す反応である。この反応を利用して、実質的に無限のエネルギーを生み出す商業的に実現可能な方法を作ろうと、多くの科学者が試みている。

Zhang氏のチームは、ネオンを生成する特定の反応が、これまで考えられていたよりも7.4倍も頻繁に古代の星で起こっていた可能性があることを突き止めた。この反応は、SMSS0313-6708にカルシウムが多く含まれていることを説明するものだ。また、この研究結果は、これまで「地上の実験室ではアクセスできなかった」この「重要な反応」をより正確に測定することを可能にしたと、研究チームは説明している。

「SMSS0313-6708は、ビッグバン後に形成された宇宙の第一世代の星の直接の子孫であると推測されている超金属不足の星です。この超金属欠乏星の組成は、最初の銀河が形成される前の環境に対するタイムカプセルであり、現在、最初の星や銀河を初めて見ることを目的としているジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の今後の観測を補完するものです。」

地下深くで行われたこのチームの研究は、非常に古い星での反応が持つ広範な意味を浮き彫りにしている。なぜなら、「星は本質的に『宇宙の核の鍛冶屋』として働き、宇宙でヘリウムより重いほとんどの元素の生成に関わっているからです。」と研究者は説明している。

研究の要旨

ビッグバンの物質から生まれた最初の星（種族III星）におけるカルシウムの生成機構は、観測結果と食い違いがある。これまで、すべての星で見られるカルシウムの生成は、高度な核燃焼と超新星が支配的であると考えられていた。ここでは、19F(p, γ)20Ne breakout反応を186キロ電子ボルトという非常に低いエネルギーまで直接測定し、225キロ電子ボルトで鍵となる共鳴を報告することにより、「暖かい」炭素-窒素-酸素（CNO）サイクルからの脱却によるカルシウム生成という質的に異なる経路を提案する。この熱核19F(p, γ)20Neの反応速度は、天体物理学的に興味深い領域2である約0.1ギガケルビンにおいて、従来の推奨速度よりも最大で7.4倍大きくなることが分かった。私たちの恒星モデルでは、恒星の水素燃焼中のブレイクアウトがこれまで考えられていたよりも強いことを示し、最古の超鉄欠乏星 SMSS0313-67086 に刻印された種族III 星でのカルシウム生成の本質が明らかになるかもしれない。この実験結果は、宇宙線誘発バックグラウンドが極めて低い環境である中国金平地下実験室7で得られたものだ。この結果は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主要なミッションターゲットである最古の星や最初の銀河で観測された核合成に、暗い人口III星の超新星が影響を与える可能性を示すものである。