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星は死ぬときに、その中心でつくった元素を宇宙空間にまき散らす。しかし、宇宙では他の物体やプロセスによっても元素が作られる。やがて、その「星のかけら」は巨大なデブリ雲となって銀河系に散らばっていく。その後、数百万年後に惑星に降り積もることもある。では、元素の生成と、遠くの惑星への沈着との間に、どのような関係があるのだろうか?

この疑問は、マンガン、鉄、プルトニウムなどの重元素がどのようにして地球上に存在するようになったのかを解明するために、研究者たちが何年もかけて自問自答したものである。その結果、これらの元素は異なるプロセスで作られ、しばしば天の川の異なる場所で作られることが判明した。しかし、地球の海底では、これらの元素が何層にも重なって発見された。これは、起源が異なるにもかかわらず、それらがほぼ同時期に到着したことを意味する。

イギリスのハートフォードシャー大学とハンガリーのコンコリー天文台(天文学・地球科学研究センター)の科学者たちは、いくつかの理論とコンピュータモデルを組み合わせて、元素がどのように宇宙を移動するかをシミュレートした。その結果、サーファーが波に乗るように、遠く離れた場所で起こった元素が超新星の衝撃波によって運ばれてくるという答えが導き出された。

重元素 – 核合成から深海での採掘まで

遠くの天体から飛んできた物質がどのように地球上に到達したかを理解するために、それらの天体について簡単に見ておこう。まず、II型超新星がある。太陽の8倍以上の質量を持つ超巨大な星が死ぬときに起こる現象だ。超巨大星は、その中心部でより重い元素(炭素など)をどんどん燃やしていく。鉄を作るようになると、生産ラインを維持するのに十分なエネルギーがなくなる。超新星爆発は、その鉄を作るために必要なエネルギーが足りなくなったときに起こる現象だ。その結果、重元素が宇宙を駆け巡ることになるのだ。

Type II Supernovae
SN1987Aは、II-P型超新星の一例である。これによって、鉄などの重い元素が作られたと考えられる。 (Credit: NASA)

次に、Ia型超新星だ。これは連星で起こる。主系列星から出た物質が、相手の白色矮星に降り注ぐ。蓄積量が多くなると、爆発が起こる。その結果、マンガンを含むより重い元素が「核合成」されるのだ。

Supernova Type Ia white dwarf ESO Kornmesser
白色矮星が伴星を食べつくす様子。これによって超新星爆発が起こり、より重い元素が作られることがある。(Credit: ESO / M. Kornmesser)

重元素を作り出しそうなもう一つの破滅的な現象は、2つの中性子星の衝突(または合体)である。2つの中性子星は互いに渦を巻いて接近し、最終的に衝突すると、中性子のシャワーを放出する。その中性子シャワーが、今度は近くの原子にぶつかる。この「rプロセス」によって、プルトニウムのような重元素が非常に短時間で生成される。

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中性子星の合体の想像図。この過程でも重元素が作られる。(Credit: 東北大学)

どういうわけか、異なる供給源からのこのすべての物質が、ほぼ同時期に地球にたどり着いた。科学者たちは、2021年に海底に堆積した放射性同位元素の中に、その不可解な証拠を発見した。それらは地球で普通に形成されたものでも、約45億年前の太陽系誕生の際に形成されたものでもない。どこか他の場所から来たはずなのだ。

元素を「あっち」から「こっち」へ

「星のかけら」をどの星系のどの世界にも届けるには、銀河系を網羅する一貫した配送サービスが必要である。ハートフォードシャー大学の小林千晶博士は、「私は長年、周期表の安定した元素の起源を研究してきましたが、この論文で放射性同位元素に関する結果を得たことに感動しています。その存在量は、宇宙のガンマ線望遠鏡だけでなく、地球の水中の岩石を掘ることによっても測定することができます。」と、述べている。

研究リーダーのBenjamin Wehmeyer氏によると、小林氏の言う岩石は、地球の海の水中探査で得られたものだそうだ。彼らは、ほぼ連続的な超新星衝撃波が、これらの元素を地球(あるいは他の惑星)に運ぶための輸送メカニズムとして有効であることを示すコンピューターモデルを作った。「我々の同僚は、海底から岩石サンプルを掘り起こし、それを溶解し、加速器に入れ、その組成の変化を層ごとに調べました。我々のコンピューターモデルを使って、彼らのデータを解釈し、原子が銀河系をどのように移動しているかを正確に突き止めることが出来ました。」と、彼は述べている。

このモデリング作業は、同位体が超新星衝撃波によって銀河の広い領域を伝搬することを明らかにしている。これらの前線は、様々な場所からの元素の集まりを一掃する。

太陽系外惑星への影響

生命が存在する可能性のある太陽系外惑星の大規模な研究を始めるにあたって、この運搬過程を理解することは特に重要だ。外惑星がどのような元素組成を持っているのかを知ることは、生命の可能性を理解するための大きな一歩となる。

「これは、同位体が銀河系をどのように伝播していくかを示すだけでなく、同位体が太陽系外の惑星にどのように豊富に存在するようになるかも示しており、非常に重要な前進です。同位体比は、生命にとって重要な液体の水を保持できるかどうかを決定する強力な要因になりますから、これは非常に興味深いことです。将来的には、銀河系内で居住可能な太陽系外惑星が存在する領域を特定するのに役立つかもしれません」と、Wehmeyer氏は語った。


論文

参考文献

研究の要旨

安定元素の銀河化学進化(GCE)のモデリングは、銀河の形成史や核合成サイトの相対的な貢献に対する洞察を与える一方で、短寿命放射性同位元素(SLR)の進化をモデリングすることは、最近の核合成のタイミングに関する補足的な情報を提供することが可能だ。短寿命放射性同位元素の進化を研究するためには、その空間分布を理解する必要がある。そこで、3次元GCEモデルを用いて、53Mn, 60Fe, 182Hf, 244Puの4つのSLRの進化を調べ、最近(約1-2000年以内)の太陽系外起源53Mn, 60Fe, 244Puの深海リザーバーへの堆積の検出を説明することを目的とする。我々は、超新星爆発が銀河系におけるSLRの主要な伝播メカニズムであることを見いだした。その結果、これら4つのSLRは異なる天体物理学的場所で生成されたにもかかわらず、同時に地球上に到達した。このことは、深海堆積物の同じまたは類似の層で、生きた太陽系外の53Mn, 60Fe, 244Puが発見されたことを説明することができる。また、182Hfも同じような深さの堆積物中に見つかると予想される。


    この記事は、CAROLYN COLLINS PETERSEN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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