中性子星どうしが衝突・合体する様子のイメージ図。鉄より重い元素は、中性子星の衝突・合体によって生成された可能性がある。 Image by , under CC BY 4.0.


 世間では、受験も最終フェーズに突入です。2018年1月13〜14日には、恒例・大学入試センター試験が行われました。その問題が難問だとか悪問だとか、あれこれ批評されるのもまた恒例です。問題作成関係者は大変気を配って作成しますが、褒められることは滅多にありません。

 今年度は「地学 第6問 A」が天文・宇宙物理の業界に波紋を広げました。天文・宇宙物理研究者にとって、いったいその問題のどこが「問題」だったのでしょうか。

 実はその問題、2017年8月17日12時41分04秒(協定世界時)までは、全く「問題」なかったのですが、この時刻に地球に到来した重力波が、元素についての人類の知識を変えてしまったのです。その結果、「地学 第6問 A」は時代遅れになってしまいました。

 今回は、その地学第6問Aを受験生に代わって解いてみましょう。

[JBpressの今日の記事(トップページ)へ]

宇宙の元素はどうやってできた?

A 宇宙の構成要素に関する次の文章を読み、下の問い(問1・問2)に答えよ。

 宇宙は、恒星や星間物質など電磁波で直接観測できる物質(通常の物質)のほか、直接には観測できない構成要素(ダークマター、ダークエネルギー)からなると考えられている。(a)通常の物質は、水素とヘリウム、それ以外の重い元素から構成されている。

問1 上の文章中の下線部(a)に関連して、宇宙の元素について述べた文として最も適当なものを、次の(1)〜(4)のうちから一つ選べ。

(1)炭素、酸素の一部はビッグバンによりつくられた。
(2)超新星爆発によって、鉄より重い元素がつくられた。
(3)種族IIの星は、種族Iの星にくらべて重い元素の割合が多い。
(4)ヘリウムの大部分は、恒星内部の核融合によりつくられた。

【平成30年度大学入試センター試験 地学 第6問 A。問2は省略】
 

 これは、元素の起源についての知識を問う問題です。ダークマターやダークエネルギーなど、キラキラ宇宙用語が並んでいますが、これは目眩ましで、問題を解くために全く必要ありません。よく訓練された受験生は惑わされずに下線部(a)に取り組みます。

 岩や水や空気など身の周りの物体や、私達自身を含む生物の体や、太陽や惑星など天体といった、通常の物質は、100種類ほどの基本原料を組み合わせ、調合してできています。この、あらゆる(通常の)物質の元となる基本原料を元素といいます。そしてこれまでに確認された118種の元素を分類し、整然と配列した表が「周期表」です。

118種の元素を規則的に並べた周期表。水素(H)の原子番号は1、ヘリウム(He)は2、鉄(Fe)は26。


ビッグバンで水素とヘリウムが生まれた

 この宇宙は138億年前に「ビッグバン」と呼ばれる大爆発と共に生じました。ビッグバンそのものについては、別の機会に解説したいと思います。今回のテーマはビッグバンの後の話です。

 岩や水や空気や私達自身や天体を作っている元素は、ビッグバン以来138億年間変わることなく存在していたわけではありません。その辺の物質を構成する炭素や酸素や鉄といった元素は、138億年の宇宙の歴史のどこかの時点で、何らかの物理現象によって合成されたのです。

 例えば、選択肢の(1)には「炭素、酸素の一部はビッグバンによりつくられた」とありますが、炭素や酸素はビッグバンの時にはまだ存在していませんでした。(1)を選んではいけません。

 ビッグバンの際に合成されたのは、周期表のトップを占める水素とヘリウムです。リチウムもほんのちょっぴりできましたが、無視できます。

 ビッグバンからしばらく経つと、宇宙空間に散らばった水素やヘリウムが集まって、そこかしこに恒星が誕生し、輝きだしました。

 恒星の輝きは、水素などの原子核がくっつき合う「核融合」の輝きです。水素などの原子核がくっつき合うと、もっと大きな原子核が合成され、それと共に熱が発生します。こうして、恒星内部では炭素や窒素や酸素など、周期表の上の方に並ぶ元素が合成されます。

 恒星内部の核融合ではヘリウムも合成されるのですが、ビッグバンで合成されたヘリウムの方が圧倒的に多いので、「(4)ヘリウムの大部分は、恒星内部の核融合によりつくられた」もまた誤りです。

宇宙には「重い元素」が増えてきた

 恒星内部の核融合で合成された元素は、恒星の大気が宇宙に流出する「星風(恒星風)」などによって、宇宙空間にばらまかれます。また他の過程(後述)によって作られた元素も宇宙空間に増えていきます。ビッグバン以来138億年間、宇宙空間には徐々に重い元素が増えてきました。

 ここで「重い元素」とは、水素でもヘリウムでもない他の全ての元素を乱暴に引っくるめて天文研究者が呼ぶ言葉です。「メタル」と呼んだりもするので、天文研究者が「重い元素」とか「金属」などと言いだしたら、何を指しているのか急いで確かめた方がいいです。

 こうして宇宙空間で重い元素が増えてきたため、宇宙初期に星間ガスをかき集めて誕生した恒星と、最近かき集めた若い恒星をくらべると、若い恒星の方が重い元素を多く含んでいます。

 これで「(3)種族IIの星は、種族Iの星にくらべて重い元素の割合が多い」の正誤が分かるのですが、ここでの落とし穴は、宇宙初期に誕生した第1世代の恒星が「種族II」と呼ばれ、最近誕生した第2世代の若い恒星は「種族I」と名づけられていることです。そういう分類になったのには歴史的事情があるのですが、はなはだ初学者泣かせ、受験生いじめの命名です。

 設問者が意地悪なのではなく、用語がそもそも不親切なのですが、受験生は、理不尽な命名に舌打ちしつつ、(3)を誤りとしなければなりません。

超新星爆発で金銀ウランにプラチナ?!

 さてこうして誤りを除外し、トラップを避けて、よく訓練された受験生は(2)の「超新星爆発によって、鉄より重い元素がつくられた」という選択肢にたどり着きます。消去法により、これが地学第6問Aの正解でしょう。

 恒星の通常の核融合反応では、周期表に並ぶ元素のうち、鉄までしか合成されないと考えられています。鉄より下の段にひしめく他の元素、金や銀やウランやプラチナその他大勢は、恒星内部の「自然に起きる」核融合では生じません。そういう重い元素の原子核は、鉄の原子核よりも高いエネルギーを持つので、合成するためには外からエネルギーを加えてむりやり原子核同士をくっつけてやる必要があるのです。

 では、地面の中に埋まっている金や銀やウランやプラチナは、宇宙の歴史のどこでエネルギーを加えられてむりやり作られたかというと、それは「超新星爆発」による、というのが設問者の期待する答えでしょう。

 おそらく設問者の考えていた、鉄より重い元素の合成過程は、次のようなものでしょう。

 超新星爆発は、質量の大きな恒星の最期の大爆発です。超新星爆発には、恒星の中心部が重力崩壊を起こして中性子星に変化する際、外層部が宇宙空間に吹き飛ばされる「II型超新星」や、炭素の核融合が暴走して恒星を粉々にする「Ia型超新星」など、いくつかパターンがあります。いずれにせよ、1個の恒星が膨大なエネルギーを放出して消滅します。恒星を成していた物質はばらばらの原子に分解され、原子核もぶつかり合ってぶっ壊れ、宇宙空間に撒き散らされます。

 この時、原子核はぶつかり合ってぶっ壊れるだけでなく、ある割合でくっつき合います。この宇宙最大規模の地獄の業火の中でなら、恒星内部の「自然な」核融合では合成できない元素もむりやり合成されるのです。やった、これで金も銀もウランもプラチナもできちゃって周期表が完成だ! 正解は(2)! センター試験突破!!

・・・というのが、2017年8月17日12時41分04秒(協定世界時)までは、教科書にも載っている定説でした。

中性子星の衝突・合体で元素ができる?

 しかし、超新星爆発による元素合成説に対して、別の説を提案する人もいました。そのひとつは、中性子星衝突・合体による元素合成です。(他にも元素合成過程はいろいろありますが、ここでは全部紹介できません。)

 中性子星とは、質量が私達の太陽の1.4倍程度もあるのに、半径が10km程しかない、極めて高密度の異常な天体です。ほぼ中性子からできているので、「巨大な原子核」と形容する人もいます。中性子星物質は周期表には納まらないのですが、これも「通常の物質」の一種です。中性子星は、II型超新星爆発によって誕生します。

 広い宇宙には、このような異常な天体が2個、互いを周回しているものがあります。そういう「ダブル中性子星連星系(正式名称ではありません)」は、数億年かけて徐々に軌道を縮め、接近し、しまいには衝突・合体すると予想されます。合体した後は高い確率で1個のブラックホールになると思われます。

 そしてそのような衝突・合体の際には、あたりに飛び散った中性子星物質が大量の重元素を作り、宇宙空間を重元素で一杯にするだろうという計算があります。ダブル中性子星連星系の衝突・合体は、超新星爆発よりもずっと稀な出来事なのですが、1回の衝突・合体で作られる重元素が多いため、元素によっては超新星爆発よりも貢献が大きいだろうというのです。

 ということは、地面に埋まる金銀ウランにプラチナは、天の川銀河(銀河系)内で過去に起きたそういう衝突・合体で合成されたものかもしれません。

 このダブル中性子星衝突・合体による重元素合成仮説は正しいのでしょうか。重元素は超新星爆発でなく、中性子星衝突・合体によって供給されたのでしょうか。

 これを証明するには、やはりその衝突・合体をひとつ観測して、重元素合成の現場をおさえるのが確実でしょう。

2017年8月17日12時41分04秒

 重力波アンテナ「LIGO(ライゴ)」と、その成果については、これまで何回か紹介してきました。時空のさざ波である重力波を捉える能力を持つLIGOは、2015年の最初の検出以来、何度も重力波を報告しています。それらの重力波は、ダブル・ブラックホール連星系(非正式名称)の衝突・合体という、それまで存在の知られていなかった天体現象から放射されたものでした。

 けれども、2017年8月17日12時41分04秒(協定世界時)に検出された重力波は、いくつもの異常な特徴を備えていました。(4〜5発の重力波イベントから、何が異常で何が正常なのかを決めるのは少々無理がありますが。)

・衝突天体の質量が太陽の2.26倍以下で、ブラックホールにしては小さい。(中性子星を示唆)

・重力波に1.7秒遅れて、ガンマ線が到来。(これはガンマ線バーストでもある)

・続いて可視光も到来して、重力波源の正確な位置を教える。(これで他の観測装置も向けられる)

 この特異な重力波源は、ダブル中性子星連星系の衝突・合体でした。天文・宇宙物理研究者が待ちに待った、中性子星の衝突・合体による重力波の検出です。

 あらゆる波長の世界の天文台(のうちLIGOとお友達関係にあるもの)が一斉にこの重力波到来方向を観測し始めました。この観測キャンペーンについては、この連載でも取り上げています。それまでの重力波イベントと違い、位置が精確に分かったので、他の観測装置も向けることができたのです。

(参考・関連記事)「LIGOはついに中性子星の合体を捉えたのか」

 観測結果は、2017年10月16日にこれまた一斉に発表されました。観測データは(予想どおり)中性子星衝突・合体によって重元素が大量生産されたことを示していました。

中性子星どうしが衝突・合体し、爆発を起こした際のイメージ図。その際に放出されたと考えられる鉄より重い元素のうちいくつかを、原子番号とともに記している。 Image by , under CC BY 4.0.


 これは、初めて中性子衝突・合体イベントを重力波とガンマ線によって捉え、鉄より重い元素のいくつかが本当に中性子星の衝突・合体により作られていたことを証明し、史上最大の観測キャンペーンが行なわれた、科学史に残るイベントです。ノーベル賞も期待できます。(これまでガンマ線バースト分野からはノーベル賞受賞者が出ていないので、この分野の貢献者への授与も考えられます。)

こうしてその問題は時代遅れになった

 そしてこのイベントは、日本のセンター試験問題にも微妙な影響を及ぼしました。地学第6問Aの選択肢(2)が、間違いといったらいい過ぎですが、的外れになってしまったのです。

 宇宙空間にただよう鉄より重い元素、46億年前に地球の原料となって、今も地中に埋まる金銀ウランにプラチナは、超新星爆発によって作られたものよりも、中性子星衝突・合体によって合成されたものの方が多いようです。

元素の合成過程を反映した周期表。ただし、計算によって今後変わる可能性がある。( に基づいて作成)


 もしも最新知識を踏まえて(2)の選択肢を修正するならば、以下のようになるでしょう。

修正前:超新星爆発によって、鉄より重い元素がつくられた。
修正後:中性子星衝突・合体や超新星爆発によって、鉄より重い元素がつくられた。
 

 実のところ、10月16日の時点でセンター試験の問題はすでに決まっていて、修正は困難でしょう。また修正すると、受験生の学んだ教科書から逸脱することになって、これまた「問題」が生じるでしょう。

 教訓ですが、科学の進歩は時には急激で、学んだ知識が一瞬で時代遅れになることもあるのです。

(筆者も科学知識を伝える側として、肝に銘じておかねばなりません。)

筆者:小谷 太郎