新たな研究によると、宇宙の誕生初期に存在した古代の星々は、地球上で自然に見つかる周期表上のどの元素よりも重い、原子量が260以上の元素を生成する能力を持っていたことが明らかになった。この発見は、星々における元素形成に関する私たちの理解を深めるものと言える。
今日の宇宙における元素の豊かな多様性は、星のおかげである。星々は、文字通り、元素の工場であり、環境から元素を取り出し、それらを融合させて新しい元素を作り出し、やがて星が死ぬと、その成果を宇宙全体に広げる。その結果、次世代の星は、より高度な元素からスタートすることができるようになり、より重い元素を生み出すことができるようになるのである。こうした想像も出来ないような長い長い繋がりを経て、今の我々も存在している。
では、このプロセスに限界はあるのだろうか？この疑問は、ノースカロライナ州立大学の科学者たちによる新しい研究の焦点となった。
元素はその原子質量によって重くなったり軽くなったりすると言われている。原子質量とは、その元素の原子核に含まれる陽子と中性子の数で定義される。自然界に存在する最も重い元素はウランで、原子質量は238uである。
最も重い元素は、中性子星の極限環境でのみ起こりうるr過程と呼ばれるものによって生成される。基本的に、星の中を漂っている原子核は、中性子の一部が陽子に変換される前に、数分の1秒で中性子で溢れかえる。その結果、プラチナやウランのような重元素の原子になる。
「r過程は、例えば鉛やビスマスよりも重い元素を作りたい場合に必要です。しかし、そのためには多くのエネルギーと大量の中性子が必要なのです」と、ノースカロライナ州立大学の物理学准教授であり、研究の主任研究者であるIan Roederer氏は声明の中で述べている。
「r過程がどのように働くかについての大まかな見当はついていますが、プロセスの条件はかなり極端です。また、r過程がどのように終了するのかもわかっていない。中性子をいくつ加えることができるのか？あるいは、元素はどれくらい重いのか？そこで私たちは、よく研究されている古い星の核分裂によって作られる可能性のある元素を調べることにしました」と、Roederer氏は説明する。
研究チームは、天の川銀河にある42のよく研究されている恒星の組成を調べた。研究者たちは、それぞれの星を個別に調べるのではなく、グループ全体の元素の存在量を調べ、これまで見逃されていたパターンを発見した。
ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀など特定の元素がこれらの星に多く含まれていることがわかったが、周期表ですぐ隣にある元素にはこのような相関関係は見られなかった。これは、これらの元素がもっと重い元素が崩壊してできた証拠だと研究チームは言う。逆算すると、重元素は少なくとも260uの原子量を持っていたことになる。
「この260uという値は興味深いものです。これまで、宇宙でも地球上でも、核兵器の実験でも、これほど重いものは検出されていませんでしたから。しかし、宇宙で重元素を見ることは、モデルや核分裂について考える指針を与えてくれます」と、Roederer氏は述べている。
科学者たちは長い間、周期表の外にもっと多くの元素が存在するだろうが、それらの原子質量は不安定であるため、すぐに軽い元素に崩壊してしまうだろうという説を唱えてきた。既知の最も重い元素であるオガネソンの原子質量は294uであり、実験室で生成された原子はわずか5個である。
論文
参考文献
- NC State University: Ancient Stars Made Extraordinarily Heavy Elements
- Science Alert: Ancient Stars Forged Elements Heavier Than Anything Ever Found in Nature
研究の要旨
最も重い化学元素は，中性子星の合体や超新星爆発における高速中性子捕獲過程（rプロセス）によって自然に生成される。ウランより重い元素（超ウラン核）のr過程での生成はよくわかっておらず，実験もできないため，核合成モデルを用いて外挿する必要がある。われわれは、rプロセス元素を多く含む星のサンプルについて元素組成を調べた。ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀（原子番号Z=44から47、質量数A=99から110）の存在量は、より重い元素（63≤Z≤78、A>150）の存在量と相関がある。隣接する元素（34≦Z≦42、48≦Z≦62）には相関がない。これは超ウラン核の核分裂片が存在量に寄与している証拠であると解釈する。この結果は，質量数260以上の中性子過剰核がr過程事象で生成されることを示している。
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