宇宙最大の爆発によって、私たちを構成する元素の一部が作られた。しかし、そこにはもう1つの謎の源がある

2024年7月29日

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ビッグバンによる「誕生」後、宇宙は主に水素と少量のヘリウム原子で構成されていた。これらは周期表で最も軽い元素である。ヘリウムより重いほぼすべての元素は、ビッグバンから現在までの138億年の間に生成された。

恒星は核融合のプロセスを通じて、これらの重い元素の多くを生成してきた。しかし、これは鉄ほどの重さの元素までしか作り出さない。それより重い元素を作るには、エネルギーを放出するのではなく消費することになる。

今日これらの重い元素が存在することを説明するには、それらを生成できる現象を見つける必要がある。その条件に合う事象の1つが、宇宙で最も強力な爆発とされるガンマ線バースト（GRB）である。これらは太陽の100京（1の後に18個のゼロが続く数）倍の明るさで噴出することがあり、いくつかの種類の事象によって引き起こされると考えられている。

GRBは長時間バーストと短時間バーストの2つのカテゴリーに分類できる。長時間GRBは、大質量で高速回転する恒星の死と関連している。この理論によると、高速回転により、大質量星の崩壊時に放出される物質が極めて高速で動く細い噴流に集中される。

jwst mirror — ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が「BOAT」の余波を観測した。 (Credit: Emmett Given/Nasa/MSFC)

短時間バーストは数秒しか続かない。これらは2つの中性子星（コンパクトで高密度の「死んだ」恒星）の衝突によって引き起こされると考えられている。2017年8月、この理論を裏付ける重要な事象が起きた。米国の2つの重力波検出器LigoとVirgoが、衝突に向かう2つの中性子星からのものと思われる信号を発見した。

数秒後、GRB 100817Aとして知られる短時間ガンマ線バーストが、空の同じ方向から検出された。数週間にわたり、事実上地球上のあらゆる望遠鏡がこの事象に向けられ、その余波を研究する前例のない取り組みが行われた。

観測の結果、GRB 170817Aの位置にキロノバが発見された。キロノバは超新星爆発のより暗い兄弟である。さらに興味深いことに、爆発中に多くの重元素が生成されたという証拠があった。Natureに掲載された研究の著者らは、このキロノバが2つの異なるカテゴリーの破片、つまり放出物を生成したように見えることを示した。1つは主に軽元素で構成され、もう1つは重元素で構成されていた。

既に述べたように、核融合は周期表の鉄程度の重さの元素までしか実現可能に生成できない。しかし、キロノバがさらに重い元素を生成できた理由を説明するもう1つのプロセスがある。

急速中性子捕獲過程、つまりr過程は、鉄のような重い元素の原子核（中心部）が短時間で多くの中性子粒子を捕獲するプロセスである。その後、急速に質量が増加し、はるかに重い元素を生み出す。しかし、r過程が機能するには適切な条件が必要である：高密度、高温度、そして大量の自由中性子が利用可能であること。ガンマ線バーストはちょうどこれらの必要な条件を提供する。

しかし、キロノバGRB 170817Aを引き起こしたような2つの中性子星の合体は非常に稀な事象である。実際、宇宙に存在する豊富な重元素の源としては考えにくいほど稀かもしれない。では、長時間GRBはどうだろうか？

jet of particles pierces a star as it collapses into a black hole — ブラックホールに崩壊する星を貫く粒子のジェット。 (Credit: Nasa Goddard Space Flight Center)

最近の研究では、特に1つの長時間ガンマ線バースト、GRB 221009に注目した。これは史上最も明るい（BOAT – brightest of all time）と呼ばれている。このGRBは2022年10月9日に太陽系を通過する強烈な放射線パルスとして検出された。

BOATはキロノバと同様の天文学的観測キャンペーンを引き起こした。このGRBは以前の記録保持者の10倍のエネルギーを持ち、地球に非常に近かったため、その地球大気への影響は地上で測定可能で、大規模な太陽嵐に匹敵するものだった。

BOATの余波を研究した望遠鏡の中には、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）も含まれていた。JWSTは初期のバーストの残光に目がくらまないよう、爆発から約6ヶ月後にGRBを観測した。JWSTが収集したデータは、この事象の並外れた明るさにもかかわらず、それが単に平均的な超新星爆発によって引き起こされたことを示した。

実際、他の長時間GRBの以前の観測では、GRBの明るさとそれに関連する超新星爆発の大きさの間に相関関係がないことが示されていた。BOATもその例外ではないようだ。

JWSTチームはまた、BOAT爆発中に生成された重元素の数を推定した。彼らはr過程によって生成された元素の兆候を見つけられなかった。これは驚くべきことである。なぜなら、理論的には、長時間GRBの明るさはその中心部の条件、おそらくブラックホールと関連していると考えられているからだ。非常に明るい事象、特にBOATのような極端な事象では、r過程が起こるための条件が整っているはずである。

これらの発見は、ガンマ線バーストが期待されていた宇宙の重元素の重要な源ではない可能性を示唆している。代わりに、まだ見つかっていない源が1つまたは複数存在するはずである。

本記事は、Robert Brose氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「The universe’s biggest explosions made some of the elements we are composed of. But there’s another mystery source out there」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。