宇宙に核分裂は存在するのか？天の川銀河の古代の星々には秘密が隠されている

著者: シェン・ウェン、Principles 編集者

理論上、2つの中性子星が衝突すると、地球上の最も重い元素よりも重い超重元素が生成されます。しかし、これらの超重元素は非常に不安定であり、すぐに核分裂によって崩壊し、より軽い元素を生成します。しかし、今までのところ、そのような核分裂が宇宙で実際に起こっていることを証明できた人は誰もいません。研究者らがウランより重い元素の核分裂の証拠を初めて発見したのは、2023年12月7日、科学誌「サイエンス」に掲載された研究論文の中でのことだ。これがどのように機能するかを理解するために、要素の起源から始めましょう。

私たちは皆、周期表をよく知っていますが、そこに含まれる元素は実際には常に存在するわけではありません。実際、元素の起源の物語は 138 億年前のビッグバンにまで遡ります。ビッグバンから約 15 分後、宇宙で最初の化学元素である水素、ヘリウム、少量のリチウムが誕生しました。これら 3 つの元素は、周期表の最初の 3 つの元素でもあります。これら 3 つの元素以外に、初期宇宙にはこれより重い元素は存在しません。

時が経ち、ビッグバンから約1億年後、宇宙に最初の星が形成されました。その後、星は元素の工場となりました。星の中心部では、核融合によって水素がヘリウムに変わります。十分な燃料がある限り、核融合は起こり続けます。しかし、生命と同じように、星も死にます。進化の終わりに近づくにつれて、燃料が枯渇し、星はますます速い速度で重元素を生成します。一定期間を経て、星の中のヘリウムは炭素と酸素に変換されます。その後、酸素はシリコン、リン、硫黄に融合します。星の長い寿命の最終段階では、鉄のような金属が生成されます。星が鉄を作り始めると、容赦ない重力を止めるものは何もなくなります。ほんの一瞬のうちに、星は自身の重力によって崩壊し、超新星として爆発し、新たに生成された元素を宇宙に噴出します。

宇宙で最も重い元素は、いわゆるr過程、つまり高速中性子捕獲によって生成されます。このプロセスの間、原子核は急速に中性子を吸収し、放射性崩壊を起こして、プラチナ、金、ウランなどの重元素などの新しい元素を生成します。

図：2つの中性子星が合体すると、中性子と原子核（鉄の原子核など）が飛び出し、非常に短い時間（通常1秒未満）で中性子の束が原子核に集まり、その後、原子核内の中性子が崩壊して重元素（金など）が形成されます。

R 過程が発生するには大量のエネルギーと多数の中性子が必要であるため、2 つの中性子星の合体など、中性子が豊富な環境で発生することがよくあります。太陽より数倍も重い星が死ぬと、その中心核が崩壊して中性子星になります。数年前、天文学者たちは、大規模な中性子連星合体イベントで大量の重元素が生成されることを確認しました。

科学者たちはr過程がどのように機能するかについては大まかに理解しているが、ウランよりも重い元素を生成するr過程についてはほとんどわかっていない。さらに、r プロセスが発生する条件は極めて極端であるため、実験室で研究することはできません。

そこで、新たな研究では、r過程をより深く理解するために、研究者らは天の川銀河にある42個の非常に古い恒星のさまざまな元素のデータを再調査した。これらの星にはすべて r 過程元素が含まれています。

これらの恒星で見つかった各重元素の量をより広範囲に観察すると、これらの恒星におけるルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀の元素の存在量は、より重い元素のグループと相関しており、あるグループの元素が増加すると、他のグループの対応する元素も正の相関で増加することがわかりました。

さまざまな恒星で起こるこの現象に対する唯一のもっともらしい説明は、重元素の形成には統一されたプロセスがあるということだ。研究者たちは、あらゆる可能性を検証した結果、核分裂がこの傾向を再現できる唯一の説明であると結論付けた。核分裂は基本的に核融合の反対です。これは、重い元素が分裂して軽い元素を生成するときにエネルギーが放出されるプロセスを指します。

新たな結果は、いくつかのr過程イベントによってウランよりも重い元素が生成され、それが崩壊して恒星で観測される元素になる可能性があることを示唆している。言い換えれば、銀やロジウムなど周期表の真ん中にある元素は、より重い元素の核分裂の残骸である可能性が高い。さらに驚くべきことに、研究者らは、Rプロセスによって、核分裂前に少なくとも原子質量数が260の元素が生成できることを発見した。その原子核には陽子よりも中性子がはるかに多く含まれている。

この研究は、宇宙における核分裂の初めての証拠を提供するだけでなく、元素の形成についての理解を大きく深めるものでもあります。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: シェン・ウェン

査読者: 張双南、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司