中性子星の衝突は金やプラチナなどの重元素の『鉱脈』であることが判明

中性子星の衝突は金やプラチナなどの重元素の『鉱脈』であることが判明 天文・宇宙
©National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet, edited by MIT

画像:新しい研究では、連星中性子星が、現在私たちが目にしている金やプラチナなどの重金属の宇宙的な供給源である可能性が高いことを示唆している。

中性子星同士の衝突では、過去25億年の間に、中性子星とブラックホールの衝突よりも多くの重元素が生成されていることがわかりました。

鉄よりも軽い元素は、ほとんどが星の中心部で作られます。

星の中心部が熱くなっていると、陽子の核融合が起こり、陽子が圧迫されて徐々に重くなっていくのです。

しかし、鉄以外の金やプラチナなどの宇宙の重元素は、どのようにして生成されるのか、科学者たちは謎に包まれていました。

マサチューセッツ工科大学(MIT)とニューハンプシャー大学の研究者たちによる新しい研究では、重金属の発生源として長い間疑われてきた2つの天体のうち、片方がより重元素を生成することがわかりました。

本日、Astrophysical Journal Letters誌に掲載されたこの研究は、過去25億年の間に、中性子星とブラックホールの合体よりも、2つの中性子星の衝突である連星中性子星合体でより多くの重金属が生成されたことを報告しています。

この研究は、2つの合体タイプの重金属生成量を比較した初めての成果であり、連星中性子星が、現在私たちが目にしている金やプラチナなどの重金属の宇宙的な供給源である可能性を示唆しています。

また、今回の結果は、宇宙全体で重金属が生成される割合を調べる上でも役立ちます。

マサチューセッツ工科大学(MIT)カブリ宇宙物理学研究所の博士研究員であるHsin-Yu Chen氏は、「今回の結果は、ある程度の確信を持って、中性子星とブラックホールの合体よりも、連星中性子星の方が金の宝庫であると言えることを意味します。」と語ります。

Chen氏の共著者は、MITの物理学助教授であるSalvatore Vitale氏とUNHのFrancois Foucart氏です。

効率的な閃光

星が核融合を起こす際には、陽子を融合させて重い元素を作るためのエネルギーが必要になります。

星は、水素から鉄までの軽元素を効率的に生み出すことができます。

しかし、鉄の陽子が26個を超えると、エネルギー的に効率が悪くなります。

「鉄を超えて、金やプラチナのような重い元素を作ろうと思ったら、陽子を結合させる別の方法が必要になります。」とVitale氏は言います。

科学者たちは、超新星爆発がその答えになるのではないかと考えています。

巨大な星が超新星で崩壊するとき、その中心にある鉄は、極度の放射性降下物の中で軽い元素と結合して、より重い元素を生成することが考えられるからです。

ところが2017年、アメリカの重力波観測所「LIGO」とイタリアの重力波観測所「VIRGO」が初めて検出した、中性子星の連星合体という有望な候補が確認されました。

この重力波は、地球から1億3,000万光年離れた場所で、2つの中性子星(大質量星の崩壊した核に中性子が詰まった、宇宙で最も密度の高い天体)が衝突して発生したものです。

この宇宙の合体は、重金属のサインを含んだ閃光を発しました。

「合体で生成された金の大きさは、地球の質量の数倍に相当しました。これで状況が一変しました。超新星爆発に比べて、重元素の生成には連星中性子星の方が効率的であることが計算で示されたのです。」とChen氏は言います。

連星の宝庫

Chen氏らは次のように考えました。

中性子星の合体は、中性子星とブラックホールの衝突に比べてどうだろうか?

中性子星とブラックホールの衝突は、LIGOやVirgoで検出されている別のタイプの合体であり、重金属の生産工場となる可能性があります。

ブラックホールが中性子星を完全に飲み込んでしまう前に、特定の条件下で、ブラックホールが中性子星を破壊し、重金属を噴出させるのではないかと科学者たちは考えています。

研究チームは、それぞれのタイプの合体が生み出す金やその他の重金属の量を調べました。

研究チームは、LIGOとVirgoがこれまでに検出した2つの中性子星の連星合体と、2つの中性子星とブラックホールの合体に焦点を当てて分析を行いました。

ブラックホールの回転速度が遅すぎたり重すぎたりすると、中性子星が重元素を生成する前に飲み込まれてしまうと考えたからです。

また、中性子星の破壊に対する抵抗力を調べました。

抵抗力が強いほど、重元素を生み出す可能性は低くなります。

また、LIGOやVirgoなどの観測結果をもとに、1つの合体が他の合体に比べてどのくらいの頻度で起きているかを推定しました。

最後に、Foucart氏が開発した数値シミュレーションを用いて、天体の質量、自転、崩壊の度合い、発生率などの組み合わせを変えた場合に、それぞれの合体が生み出す金などの重金属の平均量を計算しました。

その結果、中性子星の連星合体は、中性子星とブラックホールの合体に比べて、平均して2~100倍の重金属を生成することがわかりました。

また、分析の対象となった4つの合体は、過去25億年以内に起こったものと推定されています。

つまり、少なくともこの時期には、中性子星とブラックホールの衝突よりも、中性子星の連星合体によって重元素が多く生成されていたと結論づけています。

もしブラックホールのスピンが高く、質量が小さければ、中性子星とブラックホールの合体の方が有利になる可能性があります。

しかし、これまでに検出された2つの合体では、このようなブラックホールはまだ観測されていません。

来年、LIGOとVirgoの観測が再開されれば、さらに多くのブラックホールが検出され、それぞれの合体で重元素が生成される割合の推定値が向上すると期待されています。

遠方の銀河の年齢を、その元素の含有量に基づいて求めることができるようになるかもしれません。

「重金属は、恐竜の化石の年代測定に炭素を使うのと同じように使うことができます。これらの現象はすべて、重元素の含有率や含有量が異なるため、銀河のタイムスタンプの付け方にも影響します。ですから、このような研究は、こうした分析を改善するのに役立ちます。」とVitale氏は言います。

Published by Massachusetts Institute of Technology. Hsin-Yu Chen et al, The Relative Contribution to Heavy Metals Production from Binary Neutron Star Mergers and Neutron Star–Black Hole Mergers, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac26c6