深海で発見されたが宇宙から来た希少元素プルトニウム

プルトニウム244を検出することで、星の重金属構造を決定することができます。

画像: SN2014J は過去 10 年間で超新星に最も近い恒星です。研究によれば、宇宙の重金属はこのような恒星の爆発によって生成されると考えられています。

科学者らは深海地殻で放射性元素プルトニウムを検出した。これは未探査の恒星における重金属の構成に関する新たな手がかりとなる稀な発見である。

研究によると、同位体プルトニウム244は、より軽い金属元素である鉄60と同時に超新星爆発で地球に到達した可能性があるという。これは、超新星も重元素を生成できる可能性があることを示唆しているが、中性子星の合体などの他の現象でもプルトニウム 244 などの重元素が形成される可能性がある。

オーストラリア国立大学とドイツのヘルムホルツ・センター・ドレスデン・ロッゼンドルフの原子物理学者アントン・ヴェルナー氏は、重金属の生成メカニズムを解明することは物理学における3つの大きな課題の1つであると語った。鉄より重い金属元素のうち、約50％は恒星の中心部での核融合によって形成され、残りの半分は高密度の自由中性子の助けを借りて形成されます。つまり、残りの半分の元素は、中性子星の合体やブラックホールと中性子星の衝突といった大規模な出来事など、超新星の中心部よりも爆発的な環境で形成されたに違いない。

ヴェルナー氏は地球上で起こった天体現象の痕跡を発見することを期待して、中国、オーストラリア、米国の科学者らと協力している。これまでに、地球上で自然に形成されたことのない放射性重金属元素がいくつか発見されています。具体的には、研究者らは半減期が8060万年であるプルトニウムの変種であるプルトニウム244を探している。つまり、プルトニウム244が放射能によって崩壊し、元のプルトニウムの半分を消費するには8060万年かかるということだ。もともと存在していたプルトニウム244は地球の形成中に崩壊したため、研究者が発見できた原子は初期のエキゾチック物質である。 「地球上でプルトニウム244を見つけることができるだろうか？ そうすれば、それが宇宙から来たことがわかるだろう」とワーナー氏は語った。

レアメタル

研究者たちは希少元素を探すため、太平洋の深度5,000フィート（1,500メートル）の地殻のサンプルを採取した。ヴェルナー氏はライブサイエンスに対し、岩石は非常にゆっくりと形成され、地殻のわずか1ミリメートルでも約40万年前のものだと語った。サンプルコレクションには、過去約 1,000 万年分の地殻岩石が含まれています。

研究者らはその後、サンプルを検査し、超新星で生成される地球外元素である鉄60とプルトニウム244の有無を調べた。彼らは両方の元素を同時に発見しました。

ヴェルナー氏は、これまでの研究で深海の堆積物や地殻中の鉄60の変動が見つかっていたため、鉄60の発見は驚くべきことではないと述べた。この発見は、鉄60が420万年前から5500万年前の間と約700万年前に2度増加したという研究者らの以前の仮説を裏付けるものとなった。この金属元素の変動は、近くにある 2 つの超新星によって引き起こされた可能性があります。

「それは非常に壮観な超新星爆発だっただろう」とヴェルナー氏は語った。 「その時鉄60が生成される。満月と同じくらい明るかったはずなので、昼間でも見えたはずだ」

これまで研究者たちは、地球の地殻全体に散らばっている極めて希少な金属元素プルトニウム244を正確に検出できるほど感度の高い検出装置を持っていませんでした。しかし、最先端の技術と方法の助けにより、現在の研究ではそれが可能になりました。この地球外プルトニウムがいつ到来したかを特定するのは、研究者が300万年から500万年前に遡る地殻の層を解明する必要があるため困難だが、プルトニウム244のレベルの変動は鉄60の変動と相関関係にあることが分かっている。 「プルトニウム244と鉄60の比率は一定であるようだ」とワーナー氏は述べ、この2つは同じ発生源から来ている可能性を示唆した。

星々の中で鍛えられた

プルトニウム244と鉄60はどちらも超新星から来たものと思われますが、多くの疑問が残っています。ヴェルナー氏は、計算モデルは超新星内部での元素形成過程をシミュレートしようとしているが、実際には重元素を生成するのは難しいと述べた。最新の研究で発見されたプルトニウム244と鉄60の比率は、恒星の爆発後、プルトニウム244の含有量が鉄60の含有量よりもはるかに低く、プルトニウム244元素が元素総量のごく一部を占めるに過ぎない可能性があることを示している。

ヴェルナー氏は、深海地殻で発見されたプルトニウム244が超新星から来たものではない可能性もあると指摘している。また、以前の天体現象で形成され、深宇宙でランダムに漂った可能性もあります。プルトニウム244は鉄60と出会うと、質量が重いため引き寄せられ、鉄60と結合します。この場合、両方の元素は同時に地球に到着しますが、プルトニウム244はより早く生成されていることになります。

この可能性を探るために、研究者たちは半減期の異なるレベルの原子をさらに研究したいと考えている。半減期は時計のような役割を果たし、科学者が元素のライフサイクルの範囲を決定することを可能にします。たとえば、プルトニウム 244 が半減期の短い別の元素と同時に発見された場合、両方とも新しい元素であることを示します。同時に、超新星で生成されるプルトニウム244の含有量は非常に少なく、プルトニウム244の大部分は中性子星の合体など他の現象から生成されることも示しています。

研究チームは現在、体積が10倍大きい地殻サンプルを研究している。より大きな地殻サンプルを研究することで、研究者はプルトニウム244の探索範囲を広げ、プルトニウム244が地球に到達した時期をより正確に特定できるようになります。

「このプロセスで最も驚くべきことは、発見した6～10の元素が地球から来たものではなく宇宙から来たものであることが最終的にわかり、それらがどこから来たのか、いつ形成されたのかについての手がかりが得られることです」とワーナー氏は語った。

著者: ステファニー・パパス

年度: 秋

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