星屑から生まれた私たち…しかし、その星屑はどこから来たのか?

space 2018/12/29
Point
■炭素などの大きな元素や、その放射性同位体は超新星爆発を起こすほどの大きな質量を持つ恒星によってしか生まれないと考えられていた
■惑星状星雲K4-47に放射性炭素が多く含まれていることから、太陽程度の質量の恒星でも大きな元素や放射性同位体が生み出されることが示される
■白色矮星表面で起こる「ヘリウムフラッシュ」がその源であり、連星の衝突で撒き散らされると考えられる

気分が落ち込んだ時、思い出してほしいことがあります。あなたを形作ってる原子の1つ1つは、あの美しい星の欠片から生まれたのです。私達の細胞を作っている物質が、かつては空のどこかにあったと考えると不思議ですよね。

それでは、正確にはどこにあったのでしょうか?

新たな研究では、ガスや塵の集まりである星雲の中に含まれる放射性同位体が、考えられていたよりも普遍的に存在していることが明らかになりました。

この発見によって、私たちを形作っているものの起源について、今までの見方が変化するかもしれません。研究は、アリゾナ大学によって行なわれ「Nature」で発表されています。

Extreme 13C,15N and 17O isotopic enrichment in the young planetary nebula K4-47
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0763-1

これまでの元素の誕生論に矛盾点

今までは一定の条件を満たしたレアな条件でないと生み出されないと考えられていた元素が、若い惑星状星雲K4-47の組成を根拠に、別の方法でも作られることが提唱されました。

複雑な生命活動や惑星活動に必要な元素は、さまざまな恒星内の反応で生まれます。水素が一箇所に集まり十分な重力に達すると、ヘリウムへと融合するのです。

ヘリウムが融合することでさらに大きなリチウムなどの元素が生まれます。さらに大きな元素である炭素や酸素ができるには、もっと大きな力が必要となり、太陽の8倍以上の質量を持つ恒星の核でなければできません。

こういった大きめの元素の放射性同位体となるとさらに形成が難しくなります。たとえば、炭素13(C-13)や酸素17(O-17)、窒素15(N-15)といったものは、安定した元素の核に1つの中性子を押し込む必要があります。

それに必要な力が生まれるのは、超巨星が崩壊時に起こす超新星爆発といったレアなイベントだけです。少なくとも科学者たちはそう考えていました。

しかし、このモデルには問題があることが分かりました。隕石サンプルに多く含まれるN-15 やO-17を説明できないのです。そこで、今までの理論に頼らない説明が必要となりました。

ヘリウムフラッシュが元素を生みだす

そこに現れたのが、K4-47です。15,000光年にあるガスと塵でできた雲には、豊富な炭素分子が含まれており、放射性同位体も多く見られます。

放射性同位体は、太陽のように超新星爆発を起こさない小さな恒星でもできるようなのです。こういった、恒星全体の90%を占める小さな恒星は、赤色巨星になったあと静かに死んで白色矮星になります。

しかし、静かに見えるこの過程の中に、中性子を重たい物質に押し込めるだけの力があるはずなのです。

赤色巨星の内部には星の外郭を引き戻すほどの重力はないのですが、それでもヘリウムは白色矮性となるコアへと降り注ぎ、その密度と温度を上げていきます。

この蓄積には数百万年かかりますが、最終的に反応のトリガーとなるだけの量になります。温度が1億℃に達すると、3つのヘリウムが融合して1つの炭素になり、その過程で驚くほどのエネルギーを放出します。

その様子は、ガスというよりも液体で、電子を失ったヘリウムが海のようになって、上昇する温度を中に閉じ込めます。その結果、ヘリウムフラッシュとして知られる現象が起こるのです。

最終的にヘリウムの6%が炭素になり、ヘリウムフラッシュでC-13が生まれます。このC-13はさらなる反応が起こる前に宇宙空間に放出されていなければなりません。

それを説明するのが、連星系です。K4-47に含まれる放射性同位体は、星雲ができたのがガスの覆いを共有した連星系によるものだとすると説明がつきます。

十分な大きさになった片方の星が炭素を生み出し、衝突が起こることで星雲へと放出されたのです。

 

私達の太陽系を作った物質の起源がどこにあるのか、その鍵は小惑星「ベンヌ」にあるといいます。現在探査機がサンプル回収のため近づいていますが、その組成がわかれば謎の解明に近づきます。

私達を形作っている物質は、派手な超新星爆発で撒き散らされたのでしょうか?それとももっと地味なヘリウムフラッシュ?それによって、自己存在への感じ方が少し変わってきそうですね。

若い星の巨大フレアを発見!惑星や生命の材料が生み出される可能性も

reference: Science Alert / written by SENPAI

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