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ブラックホールは宇宙の錬金術師。はからずも金を作っている可能性

カラパイア


 金・銀・トリウム・ウランなど、こうした重元素は、超新星爆発や中性子星の衝突で生じる大きなエネルギーによって作られる。

 だが最新の論文によると、生まれたてのブラックホールによって吸い寄せられるガスや塵の円盤の中でも、金などの重元素が合成されている可能性があるそうだ。

 ブラックホールは宇宙の錬金術師であるということになる。

ビッグバンから重元素が誕生するまで

 宇宙開始時の爆発的膨張、「ビッグバン」によって宇宙が誕生した直後、そこには現在のように多種多様な元素は存在しなかった。「水素」と「ヘリウム」がほとんどだったのだ。

 ところが星が生まれ、その中心部で原子核がぶつかり合うようになると状況が変わる。核融合によって、「炭素」から「鉄」までのより重たい元素が生成された。

 だが鉄には少々厄介な問題があった。これを生成するための熱とエネルギーは、核融合によって生じるエネルギーを上回っているのだ。

 そのために星の核の温度が下がり、やがて死をもたらす。それが「超新星爆発」だ。

photo by Pixabay

超新星爆発と中性子星衝突で起きるで重元素合成

 星にとっては死である超新星爆発だが、その中で誕生するものもある。

 爆発のエネルギーは巨大で、原子が衝突しながら、お互いの中性子を次々と捕獲していく。これによって、「金」「プラチナ」「ウラン」といった鉄よりも重たい元素が形成されるのだ。

 このプロセスを「r-過程」という(「r」は「速い(rapid)」を表す)。

 ただし、r-過程は速やかね進まねばならない。さもなければ、原子核に中性子がくっつく前に放射性崩壊が起きてしまうからだ。

 こうしたr-過程は、「超新星」と「中性子星の衝突」によって起きると考えられている。

 それ以外の状況で、r-過程が起きるかどうかはわかっていない。ただし、その有力な候補として挙げられているのが生まれたてのブラックホールだ。

photo by iStock

ブラックホールでも金が生成されている

 たとえば、中性子星同士が衝突し、そのときの質量がブラックホールを形成するのに十分だった場合、そこではr-過程が起きているかもしれない。

 大質量の星が、自らの重力で崩壊しブラックホール化したケースでも同様だ。

 どちらの場合も、生まれたてのブラックホールは、そこに落下しようとする物質の渦巻き(降着円盤)によって囲まれている(排水溝に吸い込まれる水の渦を想像してほしい)。

 そこからは大量の「ニュートリノ」(中性の電気を持たない素粒子)が放出されており、その結果としてr-過程による重元素の形成が起きている可能性があるのだ。

 『Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』(21年10月8日付)に掲載された研究では、シミュレーションによってその仮説が検証されている。

 重イオン研究所(ドイツ)や理化学研究所(日本)などのグループは、ブラックホールの質量やスピンなど、さまざまなパラメータを調整しつつ、膨大な数のシミュレーションを実施。

 その結果、条件次第では生まれたてのブラックホールでもr-過程が起きることが明らかになった。

photo by Pixabay

ブラックホールで重元素が作られる条件

 オリバー・ジャスト博士の説明によると、決定的なのは、中心にある重い天体の周囲を公転しながら落下する物質によって形成される円盤状の構造「降着円盤」の質量であるという。

 円盤の質量が大きいほど、ニュートリノの放出で電子が捕獲され、陽子から中性子が形成されやすくなりまる。その分、r-過程で重元素の材料となる中性子が増えるというわけだ。

 ただし円盤の質量は大きすぎてもダメであるようだ。

 円盤の質量が大きすぎると、逆の反応が強くなってしまう。ニュートリノが円盤を飛び出す前に、中性子がそれを捕獲してしまうからだ。すると中性子が陽子に戻ってしまい、r-過程を妨げてしまうのだという。

 ブラックホールの周囲で重元素がもっとも盛んに生成されるのは、円盤の質量が太陽の1~10%のときだという。その時、衝突した中性子星から生まれたブラックホールは、いわば重元素の工場となる。

 ただし、こうした質量の円盤が宇宙でどれほど一般的なものなのか、今のところわかっていない。

 この現象について解明するには、まだまだデータが不足しているようだ。

 しかしドイツで建設中の「FAIR」といった次世代の粒子加速器ならば、より精密な研究が可能になるとのことだ。

References:GSI-Where does gold come from? — New insights into element synthesis in the universe / Black Holes Could Be Inadvertently Making Gold, Astrophysicists Say / written by hiroching / edited by parumo

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