リンは新星爆発が生み出した ―必須元素の起源に迫る―
- 発表日
- 2024 年 5 月 10 日
- 発表者
- 辻本 拓司（国立天文台 JASMINE プロジェクト 助教）
- 戸次 賢治（西オーストラリア大学 国際電波天文学研究センター 教授）
発表概要
遺伝子を合成するのに不可欠な元素であるリン。それが一体宇宙のどこで作られるのか、我々はこれまで明確な答えを持っていませんでした。今回、恒星進化の最終段階で残される白色矮星の、その中で最も重い星の表面で生じる爆発によって、大量のリンが合成されることを突き止めました。さらに、その爆発頻度、つまり宇宙へのリン供給率が、46 億年前の太陽系誕生時は現在よりも高かったことを明らかにしました。
図 1: 新星爆発によるリン生成から地球における生命 (DNA) 誕生までの概念図。新星とは、白色矮星と進化の進んだ恒星からなる連星系において、恒星からのガスが白色矮星の表面に降り積もることで生じる爆発現象です。その際の核融合反応で大量のリンが合成されます。この新星爆発で合成されたリンは、やがては宇宙塵や隕石の一部として地球に降り注ぎ、生命誕生に不可欠な材料となりました。
発表内容
リン元素は、生命にとって欠かす事のできないとても貴重な元素です。遺伝子である DNA、RNA、そして細胞膜を作るのにリンは不可欠だからです。生物の体は細胞からできていますから、そのすべての細胞にリンは含まれていることになります。では、一体リンはどのようにして作られたのでしょうか？
全ての元素は宇宙の誕生と進化を通して生み出されたものです。つまり、すべてが宇宙起源です。最初に宇宙の誕生の際にできた元素は、水素とヘリウムとわずかなリチウムだけでした。その後、宇宙に最初に生まれた星の中で炭素や酸素といったそれまでの宇宙には存在しなかった新たな元素が次から次へと生み出されていったのです。
その星もやがては死を迎えます。この星の死に伴った星の大爆発に代表される現象によって、元素は宇宙に放出されます。この星の大爆発は超新星と呼ばれています。この超新星という星の死に伴う現象によって、星が一生の間に作り上げてきた元素と爆発の際に合成される元素から成る多種多様な元素が宇宙空間にばら撒かれるのです。リンもこの超新星によって合成そして放出されると考えられていました。つまり、我々の体内にあるリンは全て超新星由来であるという考えがこれまでの定説となっていました。
超新星起源説の矛盾
ところが、この「リン超新星起源説」では観測事実を説明できないこともわかっていました。我々は、銀河系（天の川銀河）でリンの存在量（ガス中に含まれるリン含有量）が昔から現在に至るまでどのように変化してきたかを、星の分光観測から化学組成を測ることで知ることができます。
星にはとても古い 100 億歳を超えるものから生まれたばかりの若い星まで存在します。それらの星の化学組成はその星々が生まれた時の銀河の様々な元素の存在量を教えてくれるのです。つまり、たくさんの年齢の違う星のリンの含有量を測ることから、銀河系での 100 億年以上の歴史の中で、どのようにリンの量が変化してきたか、つまり「リンの化学進化」を知ることができるのです。
このように観測で明らかにされたリンの化学進化が、超新星起源説では全く説明できなかったのです。超新星で予測されるリンの合成量が観測から期待される量に全然足りないのです。この原因は超新星の元素合成理論モデルの何らかの問題であろうという暗黙の認識の元、その解決への努力は長年放置されていました。
新星起源説の発見
こういう状況の中、今回、西オーストラリア大学と国立天文台との国際共同研究チームは、超新星以外にリンを合成する天体が他にあるのではないかという予測を立て、研究を続けたのです。そして、この天体が「新星」であることを突き止めました。
図 2: 銀河系におけるリンの鉄に対する比率の 120 億年にわたる進化を示す観測結果と、それを解釈するための今回明らかにされた理論的シナリオ。リン進化の歴史は大きく 3 つの時代に大別することができる。観測データは個々の星における鉄の量とリン鉄比の相関を示す。青いデータは近紫外線観測で得られたもので、地上からの観測ではなく、宇宙からの観測データである。
新星とは、突如星が明るく輝くように見える現象です。これは連星系にある白色矮星の表面に伴星からのガスが降り積もり、ある臨界量に達すると核反応の暴走が起こり、爆発現象として観測されるものです。新星現象が同じ白色矮星で何度も起きることは、観測的に回帰新星としても知られています。白色矮星は宇宙に存在する多くの星の終焉の姿であり、太陽も数十億年後には白色矮星になると予想されています。
リン進化の 3 つの時代
図 2 に、今回始めて明らかにされた銀河系の誕生時から現在までの 120 億年にわたるリン比率の進化のシナリオが描かれています。
まず、最初の酸素・ネオン新星がリンを供給し始める前に生まれた星のリン含有量の観測結果から、超新星ではリンが少量しか作られないというこれまでの理論計算が正しかったことがわかりました。
さらに、今からおよそ 80 億年前の宇宙で、重い新星からのリンが徐々に蓄積されていった結果、他の元素（鉄など）に対するリンの比率が最も高くなっていたことがわかりました。
その後、現在に向かって徐々に重い新星が発生する頻度が低くなったこと、また同時に他の元素が別種の超新星で合成されていったことから、銀河内でのリンの比率は減少していったと考えられます。ですので、太陽系が生まれた 46 億年前当時の銀河では、現在よりリンは効率よく生産され、豊富に存在していたのです。地球が誕生した 46 億年前の宇宙は生命を生み出しやすい環境だったと言えるのかもしれません。
図 3: 理論モデルと観測データの比較。今回新たに提案された「新星モデル」は観測をうまく説明できている一方、従来の「超新星モデル」は観測データと合致しないことがわかる。観測データの大きな分散は、重い新星からのガス放出量の違いを反映していると考えられる。(Bekki & Tsujimoto 2024 から転載。超新星モデルは Cescutti et al. 2012, Astronomy and Astrophysics 540, A33 より抜粋。)
図 3 では、本研究で提案された「リン新星起源説」に基づいて計算されたモデル結果が示されています。新星からは各爆発で放出されるガスの量にはばらつきがあることが観測的にわかっていますが、それをモデルに導入することで、観測データに見られる大きな分散をうまく説明できています。一方、従来の超新星モデルでは、観測データの傾向を説明できていなかったこともわかります。
生命誕生への示唆
リンがもしこれまでの定説通り超新星だけでしか作られていなければ、この宇宙に生命が生まれることはなかったかもしれません。星の大爆発という華々しい超新星に比べれば、星の表面での小爆発という、派手ではない一見地味な天体現象が、生命を宇宙へもたらした重要なイベントであった可能性を本研究は示唆しています。
地球上でどのように生命が誕生したかは未だ謎に満ちています。主流の説では、生命誕生に必要な物質は隕石や彗星によって地球にもたらされたと考えられています。本研究成果は、その生命の材料となるリンが、新星という天体現象によって宇宙に供給されていたことを明らかにしました。
論文情報
この研究成果は、米国の天体物理学雑誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」オンライン版に、2024 年 5 月 10 日付で掲載されました。
- 論文タイトル: "Phosphorus Enrichment by ONe Novae in the Galaxy"
- 著者: Bekki, K. & Tsujimoto, T.
- 掲載誌: The Astrophysical Journal Letters
- DOI: 10.3847/2041-8213/ad3fb6
研究助成
本研究は、JSPS 科研費（課題番号：JP18H01258、JP19H05811、JP23H00132）の助成を受けて行われました。