フッ素の宇宙史:初期の銀河でフッ化物の起源を発見

フッ素の宇宙史:私たちは初期の銀河でフッ化物の起源を発見しました 天文・宇宙
ハッブル宇宙望遠鏡が天の川で撮影したウォルフ・ライエ星から生成されるフッ化物を捉える。©Nasa/Judy Schmidt

著者情報:James Geach氏, ハートフォードシャー大学天体物理学教授・王立協会大学研究員

歯磨き粉の成分表示を見ると、「フッ化ナトリウム配合」などと書かれていることがあります。

ご存知のように、フッ素は健康な歯にとって重要な物質です。

エナメル質(歯の周りの硬い保護膜)を強化し、虫歯を予防します。

歯磨き粉については、あまり深く考えていないかもしれません。

しかし、壮大なものからありふれたものまで、地球上のあらゆるものがそうであるように、フッ素にも、宇宙的な起源があるのです。

今回、私と同僚は、それに光を当てた論文をNature Astronomy誌に発表しました。

ほとんどの天然元素は、宇宙の歴史の中ではるか昔に形成されました。

最も古い元素は水素で、約140億年前のビッグバンの直後に形成されました。

ビッグバンの数分後には、ヘリウム、重水素、リチウムといった軽元素もビッグバン核合成と呼ばれるプロセスで生成されました。

その後、星の生死に関わる過程で、ほぼすべての元素が作られました。

しかし、星は常に存在していたわけではありません。

あなたは歯磨きの際に、歯磨き粉の宇宙的な起源を考えますか?

あなたは歯磨きの際に、歯磨き粉の宇宙的な起源を考えますか?

宇宙で最初の星の発生がいつだったかまだ正確には分かっていませんが、おそらくビッグバンから1億年くらいは経っていないでしょう。

それ以前の宇宙は、水素の霧に、天文学者が「暗黒物質」と呼ぶ目に見えない謎の物質が混じっていました。

この霧は滑らかではなく、波打っていて、場所によってはわずかに濃くなっていました。

これらの領域が重力によって収縮、つまり「崩壊」し始め、最初の銀河が形成されたのです。

ガスの密度が十分に高くなったところで星が点火され、宇宙を照らし出したのです。

その後の数十億年は急速な成長の時期で、宇宙の星形成率は急激に上昇し、80〜100億年前にピークに達しました。

しかし、その「宇宙の正午」以降、宇宙の星形成率は低下しています。

天文学者が宇宙の歴史の初期段階に興味を持つのはそのためで、当時の出来事が現在の私たちを形作っているからです。

銀河の成長がどのように星の形成を増やしていったかについては多くの情報がありますが、初期の銀河の化学進化についてはほとんど分かっていません。

これは重要なことです。

星が生きて死ぬと、星が生成した元素が銀河全体やその他の地域に分散されます。

なぜなら、星が生きて死ぬと、星が生成した元素が銀河系内外に分散し、その元素の一部が私たちのような新しい惑星を形成するからです。

急激な進化

「NGP-190387」と呼ばれる遠方の銀河を、波長1ミリ前後の光を検出する「アタカマ大型ミリ波サブミリ波望遠鏡(アルマ)」で観測しました。

これにより、遠方の銀河の冷たい塵やガスが発する光を見ることができます。

このデータから、予想外のことがわかりました。

それは、ちょうど1.32ミリの波長で光が落ち込んでいることです。

これは、水素原子とフッ素原子で構成されるフッ化水素(HF)という分子が光を吸収する波長とぴったり一致します(宇宙の膨張による波長のずれを考慮して)。

この光の欠損は、銀河系内にフッ化水素ガスの雲が存在することを意味しています。

この光は120億年以上かけて私たちに届いたもので、私たちは宇宙が14億歳だった頃の銀河を見ていることになります。

銀河が誕生して間もない頃、どのようにして化学元素が豊富になっていったのかを知ることができるので、とても興味深いです。

「NGP-190387」では、この初期段階でもフッ素が豊富に含まれていることがわかります。

遠方の銀河では、炭素、窒素、酸素などの他の元素が観測されていますが、これほど遠くの星形成銀河でフッ素が検出されたのは初めてのことです。

初期の銀河で観測される元素の種類が多ければ多いほど、当時の化学物質の濃縮過程の理解が深まります。

例えば、超新星と呼ばれる星の爆発や、「漸近巨星分枝星」と呼ばれる赤色超巨星の中で、水素とヘリウムを燃やして大きくなった星の中で、フッ素が生成されることがわかっています。

星や超新星で元素が生成される仕組みをモデル化すると、これらの天体からどれくらいのフッ素が期待できるかがわかります。

しかし、「NGP-190387」では、フッ素の量が多すぎて、超新星や漸近巨星分枝星だけでは説明できないことがわかりました。

それは、おそらく「ウォルフ・ライエ星」と呼ばれる別のタイプの星です。

ウォルフ・ライエ星は非常に珍しい星で、天の川では数百個しかカタログに載っていません。

ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた古代銀河。

ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた古代銀河。©NASA/ESA

ウォルフ・ライエ星は、太陽の10倍以上の質量を持つ超大質量星のライフサイクルの一段階です。

太陽の10倍以上の質量を持つこの星は、その短い一生の終わりに近づくと、中心部でヘリウムを燃やし、太陽の数百万倍の明るさになります。

ウォルフ・ライエ星は、珍しいことに、強力な風によって水素の包囲網を失い、ヘリウムのコアが露出しています。

このような星は、最終的にはコア崩壊型の超新星爆発という劇的な現象を起こします。

私たちのモデルに、狼放射星から予想される量のフッ素を加えたところ、「NGP-190387」からの光の落ち込みをようやく説明することができました。

今回の発見により、初期宇宙では銀河の成長が驚くほど速く、星の形成と化学物質の濃縮が熱狂的に行われていたことを示す証拠が増えました。

これらのプロセスは、現在私たちが見ている宇宙の基礎となっています。今回の研究は、120億年以上前に行われていた宇宙物理学の詳細について、新たな知見を与えてくれました。

しかし、何よりも重要なのは、私たちの良く知っているフッ素の歴史が、それぐらい古い物語であることを示していることでしょう。The Conversation

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