元素の鍛造所金と鉄はどこで作られたか

ビッグバン、恒星、超新星、中性子星の合体から来る元素はどれ?このページでは、各元素の起源を鍛造所別に並べ、鍵となる研究を紹介する。

金は地球でできたものではありません。鉄も同じです。ゲームの元素表は、元素の由来を8種類の「鍛冶場」に分けています。ビッグバン、宇宙線、低質量星、大質量星、白色矮星の爆発、中性子星の合体、放射性崩壊、人工合成の8つです。このページでは、それぞれの鍛冶場がどの元素を作ったかを並べ、そのうえで裏づけになった主な研究をいくつか紹介します。

8つの鍛冶場

鍛冶場元素の数おもな例
ビッグバン元素合成3水素、ヘリウム、リチウム
宇宙線破砕2ベリリウム、ホウ素
低質量星（s過程＝遅い中性子捕獲）24炭素、窒素、フッ素、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、カドミウム、インジウム、スズ
大質量星（重力崩壊型超新星）22酸素、ネオン、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、塩素、アルゴン、カリウム、カルシウム
白色矮星の爆発（Ia型超新星）6バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル
中性子星の合体（r過程＝速い中性子捕獲）26ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、アンチモン、テルル、ヨウ素、キセノン、セシウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム
ウランとトリウムの放射性崩壊7ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、アクチニウム、プロトアクチニウム
人工合成28テクネチウム、プロメチウム、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム

この表では、人工合成（28元素）と中性子星の合体（26）が最も多く、宇宙線破砕（2）が最も少なくなっています。ゲームの元素表の「おもにここから」は、各元素のおもな出どころをゲームが分類したものです。1つの元素に出どころが複数ある場合もあります。

表の読み方

表にははっきりしたパターンがあります。酸素、ネオン、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、塩素、アルゴン、カリウム、カルシウムと続く長い列は、大質量星の重力崩壊型超新星のものです。バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルの6元素は、白色矮星の爆発のものです。ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀から、ヨウ素、キセノン、セシウム、ユウロピウム、ガドリニウムまでは、中性子星の合体が出どころです。炭素、窒素、フッ素は低質量星のものです。つまり、周期表で隣り合う元素が、まったく別の天体から来ていることがよくあります。ゲームはこの分け方で、周期表のどの元素にも具体的な「生まれた場所」があることを示します。そしてそれぞれの場所は、ビッグバンの計算から、恒星のエネルギー源、中性子星の合体の観測まで、以下の節の研究と結びついています。

最も軽い3つ：ビッグバン

ラルフ・アルファーとジョージ・ガモフは、ビッグバンで軽い元素がどうできたかを初めて計算しました。「αβγ」という冗談を成り立たせるために、ハンス・ベーテの名前が加えられました。論文の題は「化学元素の起源」です（Alpher、Bethe、Gamow、Physical Review、1948年）。このグループに入るのは水素、ヘリウム、リチウムだけです。

恒星の中の炉

太陽はなぜ何十億年も燃え続けられるのか。ベーテは、恒星が核融合で光っていることを突き止め、この謎を解きました（Bethe、Physical Review、1939年）。恒星が十分な炭素を作るには、炭素12に特別なエネルギー準位がなければならないとフレッド・ホイルが予言し、実験がすぐにそれを確かめました（Hoyle、The Astrophysical Journal Supplement、1954年）。数年後、恒星が周期表の元素を一歩ずつ鍛え上げる仕組みを系統的に説明した100ページの論文が出ました。「私たちはみな星のちりで、ここから始まった」（Burbidge、Burbidge、Fowler、Hoyle、Reviews of Modern Physics、1957年）。

白色矮星の爆発と鉄

鉄、コバルト、ニッケルなどの「鉄族」は、表ではおもに白色矮星の爆発に割り当てられています。白色矮星には約1.4太陽質量という質量の上限があり、それを超えた星は崩壊し続けるしかありません（Chandrasekhar、The Astrophysical Journal、1931年）。

中性子星の合体：金の物語

1つの宇宙の出来事を、初めて「聞いて」「見る」ことができました。2つの中性子星の合体です（Abbottほか、Physical Review Letters、2017年）。合体で放出された物質には大量の重い元素が含まれていて、あなたの指輪の金も、こうした衝突から来た可能性が最も高いのです（Kasenほか、Nature、2017年）。

放射能と人工合成

ウランとトリウムの崩壊系列は、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、アクチニウム、プロトアクチニウムの7元素を作ります。人工合成が最も多くを供給していて、テクネチウムやプロメチウムから、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、そしてアインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウムまで続きます。ゲームのもう1つの豆知識を付け加えると、アインスタイニウムとフェルミウムは、最初の水素爆弾実験の残骸から見つかりました。

原典を読みたい人へ：次の題名で検索

  • Alpherほか（1948）："The origin of chemical elements"
  • Bethe（1939）："Energy production in stars"
  • Hoyle（1954）："On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"
  • Burbidgeほか（1957）："Synthesis of the elements in stars"
  • Chandrasekhar（1931）："The maximum mass of ideal white dwarfs"
  • Abbottほか（2017）："GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"
  • Kasenほか（2017）："Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"

実際の根拠

  • ビッグバン元素合成:ゲームの元素表では、主にここから来る元素が3個ある。水素、ヘリウム、リチウム。

  • 宇宙線破砕:ゲームの元素表では、主にここから来る元素が2個ある。ベリリウムとホウ素。

  • 低質量星(s過程):ゲームの元素表では、主にここから来る元素が24個ある。炭素、窒素、フッ素、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、カドミウム、インジウム、スズなど。

  • 大質量星(重力崩壊型超新星):ゲームの元素表では、主にここから来る元素が22個ある。酸素、ネオン、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、塩素、アルゴン、カリウム、カルシウムなど。

  • 白色矮星の爆発(Ia型超新星):ゲームの元素表では、主にここから来る元素が6個ある。バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルなど。

  • 中性子星合体(r過程):ゲームの元素表では、主にここから来る元素が26個ある。ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、アンチモン、テルル、ヨウ素、キセノン、セシウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウムなど。

  • ウランとトリウムの放射性崩壊:ゲームの元素表では、主にここから来る元素が7個ある。ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、アクチニウム、プロトアクチニウムなど。

  • 人工合成:ゲームの元素表では、主にここから来る元素が28個ある。テクネチウム、プロメチウム、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウムなど。

関連する研究

これらの研究はこのトピックに関連しますが、このページの直接の証拠ではありません。

  • αβγ論文：アルファーとガモフはビッグバンで軽い元素ができる過程を計算し、ベーテの名前が加えられて「αβγ」になった。

    出典：Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"

  • 星を動かすもの：ベーテは、星が核融合で輝くことを計算で示し、太陽が何十億年も燃えつづけられる謎を解いた。

    出典：Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"

  • チャンドラセカール限界：白色矮星には質量の上限があり、太陽質量の約1.4倍だ。それを超えると、星は崩壊しつづける運命にある。

    出典：Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"

  • B²FH:恒星が周期表の元素をどう作り出すかを、段階を追って説明した100ページの論文。私たちはみな星屑だという考えは、ここから始まる。

    出典：Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957, "Synthesis of the elements in stars"

  • ホイルの予言：星が十分な炭素をつくるには、炭素12に特別なエネルギー準位がなければならないとホイルは予言し、のちに実験で確認された。

    出典：Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954, "On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"

  • キロノバ：同じ宇宙の出来事が、はじめて「聞こえ」て同時に「見えた」。二つの中性子星の合体だ。

    出典：Abbott et al., Physical Review Letters 2017, "GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"

  • 金の由来：中性子星の合体が放出する物質には、重元素が大量に含まれる。あなたの指輪の金は、おそらくそんな衝突から来たものだ。

    出典：Kasen et al., Nature 2017, "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"

ゲームで見る