重い元素はどこから来たの？

さて、私たちが暮らすこの宇宙は
約138億年前に誕生したとされています。
その宇宙は誕生してから現在に至るまで
加速膨張し続けている事が分かっています。

プランク期、インフレーション期、ビッグバン期を経て
一瞬のうちに加速膨張し凄まじい変化を
起こした宇宙誕生の瞬間・・・
その時元素はまだ存在していません。
今回のBLOGでは宇宙誕生の瞬間から
現在に至るまでの元素の成り立ちに
少しだけ触れてみたいと思います。

 

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宇宙誕生のその瞬間・・・
そう簡単に言いますが、人間の感覚では
想像もつかない時間スケールです💦
宇宙誕生から10⁻¹²秒後、高密度の灼熱状態で
ヒッグスバの性質が変化し光子とグルーオン以外の
素粒子がギューギューで動きにかったようです。

全ての素粒子が、それぞれの粒子と同じ質量で
電荷が正負反対であるような反粒子を
持つことが分かっています。
本来であれば、この粒子・反粒子が
ぶつかり合った瞬間に対消滅するはずが
ごく僅かの粒子が残り反粒子は消え去りました。

宇宙誕生から10⁻⁵秒後、陽子・中性子
電子・陽電子が誕生しました。
ここで粒子と反粒子の衝突で
ごく僅かに粒子が残ってくれたことが
今の宇宙、私たち人類を作ってくれたようです。
（粒子、反粒子に僅かに寿命の差がある事が分かった）

 

 

宇宙誕生直後には1000兆Kもあった
高温・高密度のちっちゃな宇宙も10億Kまで下がり
素粒子たちが宇宙誕生後から3分後には
陽子1の軽い水素原子核と中性子が
陽子に取り込まれヘリウム原子核が誕生！

 

そして、それから長い長い時を経て
37万年後、灼熱状態でガヤガヤしてた素粒子たちは
直進できずにグネグネと進んでいたけど
「宇宙の晴れ上がり」後には
数千Kまで下がり宇宙空間は一気に
冷え込んでいきました。

先に誕生していた軽い水素と ヘリウムの
原子核たちに 上のイラストだと「青色」の
電子が 取り込まれ、水素・ヘリウム
リチウム原子が 誕生しました。
このお陰で窮屈だった空間にゆとりができ
光の通り道ができた。そして
光は直進できるようになったようです✨
ということは・・・光がくねくねしてた時代の
宇宙を電磁波を使って観測しようにも
無理って事になりますよね？
重力波観測とかになるのかな？ 
重力がある事は分かってますが、重力子は未発見です。

宇宙誕生から更に4億年ほど経った頃
宇宙空間には上記に書いたように
水素・ヘリウム・リチウムなどとても軽い
元素の原子核が漂っていた。 でも、空間を均等に
まんべんなく漂っていたわけじゃない！！

私が尊敬している吉田 直紀教授の
研究分野に繋がるけど、どこかには密度が高い場所
どこかには密度が低い場所といった”ゆらぎ”ができる。
吉田教授はこれを”ムラムラする宇宙”って言ってます！
高密度の所はその質量による万有引力によって
まわりの水素原子やヘリウム原子を集め
ますます密度が高くなり巨大なガスの塊ができました。

第一世代の星（最古の星）が誕生する為の
分子ガス雲の形成です。
その後、自重に耐えれずどんどん成長し
高密度になって核融合反応で
色んな化学反応が起こったのです。
ヘリウムが炭素や酸素に！
さらにネオンやマグネシウムやケイ素が誕生。

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星の核融合反応にて生成された元素は
周期表でいう 「鉄Fe」までです！では一体
鉄より重い元素はどこからきたのかな？
星の内部から生成された元素以外は
超新星爆発がかかわっているようですね！

タイプにもよりますが、大質量の超新星爆発って
高温で中性子星や ブラックホール天体に
なることもあります。中性子は電荷ゼロなので
中性子密度が高いってことは、 β⁻、β⁺崩壊が
起こる率も高い！って事になりますよね。

中性子っていうのは単独だと数分で壊れちゃう。
これをβ崩壊っていうの。 どういう事か簡潔にいうと
β線（電子・陽電子）を放出することなの。
一般的には電子(−)の放出の事を指します。
この超新星爆発は核融合反応から生まれる
最後の元素、鉄と中性子が凄まじいエネルギーで
ぶつかり合ったもので、ニュートリノの放出と
吸収などが関わっています。

カリウムやカドミウム、レニウムなどが
生成されたり、大質量じゃない超新星爆発など含め
原子番号27Coコバルトから、92のUウランまで
（6つの元素を除く）が、恒星の 一生を終える爆発で
一気に生成されたといわれてます。

 

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原子番号93からは「超ウラン元素」といわれています。
天然には存在が知られていない元素です。
また、原子番号103番以降の元素は
人工的につくりだされた超重元素といいます。
現在、地球上で発見される超ウラン元素や
超重元素は基本的に原子炉や粒子加速器で
人工的に作られたものです。
（※239Puは自然に生成され続けている）

 

原子番号113番「ニホニウム」は
理研チームにより、原子番号30「亜鉛Zｎ」と
原子番号83「ビスマスBi」の原子核の融合で発見されました。
加速器RILACにて衝突させ、強力なビームで
亜鉛の原子核を1秒間に2兆5000個もの莫大な個数を
ビスマスに照射しました。
GARISという検知装置もすごく
無数の粒子から113番だけを検知し、生成確率が
100兆分の1しかなかったニホニウム発見は
アジア初の元素新発見の快挙となりました。

 

元素の性質は電子の数で決まります。
そしてまだまだ未知の元素があるといわれています。
原子番号173「ウンセプトトリウム(仮名)」は
理論上、存在し得る最後の元素とされているものです。
また原子番号126「ウンビヘキシウム(仮名)」も
研究者たちが発見を目指す魔法数126とされてる
未知の元素です。なぜ世界各国が莫大なお金を
かけて粒子加速器や素粒子研究所を作るのか？

それは、古代の星が地球上には存在しない
原子質量260を超える超重元素を生成する
能力を持っていたことが発見されたり
ハイパーノバァやキロノバァにおける
放射性元素のエネルギー源など
宇宙における元素生成の様相を理解するためには
研究者にとって新元素の生成が宇宙の謎を解明する
肝心な実験である事のようです。

しかし一般の方たちの中には
放射性物質の取り扱いになるわけだし
大型の粒子加速器の施設建設などは
快く思わない方々がいるのも事実です。
解明して欲しいし、マンモス加速器ができるのも
微妙だし・・・。でも知りたい。
・・・。
今回は元素について軽くお話ししました。
applestarでした♪バイバイ👋