周期表の元素はどこから来たのでしょうか?

元素の旅は、ビッグバンの最初の瞬間、つまり宇宙が誕生してわずか数秒から数分のときに始まりました。

ビッグバンモデルによれば、激しい爆発によって現在の宇宙が誕生したとされています。 （画像提供：ゲッティイメージズ）

私たちは皆、宇宙にはヘリウムのような非常に軽いガスから鉛​​のような非常に重い金属まで、多種多様な元素が含まれていることを知っています。しかし、すべての要素はどこから来るのでしょうか?

元素の旅は、ビッグバンの最初の瞬間、つまり宇宙が誕生してわずか数秒から数分のときに始まりました。当時、宇宙全体は、今日の何百万倍も小さい体積に詰め込まれていました。信じられないほど高い密度のため、宇宙のすべての物質の平均温度は 10 億度をはるかに超えており、これは核反応が発生するのに十分な高温です。実際、非常に高温であるため、陽子や中性子でさえ安定した存在として存在することはできません。むしろ、宇宙は、原始的なプラズマ状態で沸き立つ、クォークやグルーオンと呼ばれるより基本的な粒子の海に過ぎません。

しかし、宇宙は長くこのままではいられない。膨張しているということは、冷却もしているということです。最終的に、クォークはすぐに破壊されることなく結合して最初の陽子と中性子を形成することができました。陽子は中性子よりもわずかに軽いため、粒子生成の初期段階では有利になります。宇宙が誕生してから数分後、宇宙は新しい陽子と中性子を生成するには寒すぎました。したがって、これらの重い粒子は、宇宙によって生成された唯一の粒子です（将来のまれな高エネルギー相互作用を除く）。

重い粒子が最終的に形成されると、中性子 1 個に対して陽子が約 6 個になります。これらの中性子自体は安定していません。半減期は約 880 秒です。その後、一部の中性子が崩壊し始め、まだ崩壊していなかった中性子が陽子と結合して最初の原子核を形成し始めました。すべての軽元素の中で、2 つの陽子と 2 つの中性子で構成されるヘリウム 4 は結合エネルギーが最も大きく、つまり最も形成しやすく、最も分解しにくい元素です。したがって、これらの中性子のほぼすべてがヘリウム4の生成に使用されます。

このような計算により、宇宙学者は宇宙が約 75 パーセントの水素 (これは単なる裸の陽子)、25 パーセントのヘリウム、および少量のリチウムの混合物から始まったと予測できます。これはまさに天文学者が観測しているものです。

恒星核融合合成

元素の出現の次の段階は、ビッグバンから数億年後まで輝き始めなかった第一世代の星を待たなければなりませんでした。星は核融合によって水素をヘリウムに変換し、自らエネルギーを供給します。このプロセスでは、少しのエネルギーが残ります。しかし、星には水素が大量に含まれているため、数十億年、時には数兆年も燃え続けることができます。

太陽のような恒星は、その寿命の終わりに、ヘリウムを核融合させて炭素と酸素に変換し、その後惑星状星雲として消滅します。これが、宇宙に炭素と酸素が豊富に存在する理由です。水素とヘリウムに次いで最も一般的な元素です。実際、酸素は地球上で最も一般的な元素ですが、そのほとんどはケイ酸塩に結合して足元の土壌を形成しています。

より質量の大きい恒星（太陽の少なくとも 8 倍の質量を持つ恒星）は、中心核でより重い元素を融合します。特に、その生涯の最後の数週間、数日、さらには数時間に、宇宙で最も質量の大きい星は窒素、ネオン、ケイ素、硫黄、マグネシウム、ニッケル、クロム、鉄を生成します。

これは恒星内部での元素形成の最終段階です。恒星の強力なエネルギーはより重い元素を生成する能力がありますが、鉄よりも重い元素を生成するにはエネルギーを生成するのではなく消費するため、これらの重い元素は巨大な恒星の中心部ではほとんど見つかりません。

周期表で鉄より重い元素は、星が死ぬときに生成され、魅力的で複雑かつ壮観なさまざまな方法で生成されます。より小さな恒星は、核反応領域からゆっくりと物質を放出し、それが恒星系全体に撒き散らされます。より大きな星は超新星として爆発します。これら両方の死は残骸を残します。小さな恒星は、ほぼ完全に炭素と酸素でできた白色矮星を残します。より大きな星は、中性子星と呼ばれる非常に密度の高い中性子の球を残します。

伴星からのガスが白色矮星に吸収され、超新星として爆発する可能性があります。中性子星の衝突によりキロノバが発生し、膨大な量のエネルギーが放出されます。

いずれにせよ、これらすべてのプロセスには、大量の放射線、大量のエネルギー、そして高速で飛び回る大量の粒子が関わっています。言い換えれば、新しい元素を形成するのに最適なスープなのです。これらの大惨事を通じて、周期表の残りの部分が誕生したのです。

これらの高エネルギーイベントを通じて、これらの元素は親星の境界を越えて星間混合物に入ります。そこで、これらの元素は新たなガス雲に加わり、最終的に融合して新たな世代の星を形成し、元素の循環と再生が継続され、ゆっくりと宇宙全体が豊かになっていきました。

著者:ポール・サッター

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