物質はどうやって生まれてきたか

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（26） 密度が上がれば温度が上がる。やがて、ぼんやりとした巨大な丸い雲は自重で圧縮し始め、中心部が熱で光り始める。周りの水素を引き寄せながらどんどん圧縮してく。中心部の温度もぐんぐん高くなり、水素が核融合を始める。恒星の誕生である。

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物質はどうやって生まれてきたか（27） 恒星によって様々な元素が作られるということを言い出したのは、イギリスの天文学者フレッド・ホイル。彼はガモフの説を真っ向から批判し、宇宙は過去も現在も未来も同じ姿であり続けるとする定常宇宙論を提唱していた。

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物質はどうやって生まれてきたか（28） ガモフの説で核融合可能な高温状態であるのはわずか20分。その間に全ての元素は作れない。ホイルは、宇宙の始まりが高温・高密度の状態から急激な膨張を始めたとするガモフの説を、宇宙の始まりが火の玉の大爆発から始まったなんて話は馬鹿げてると笑った。

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物質はどうやって生まれてきたか（29） ガモフの説を今ではみんなビッグバンと呼んでいるが、それはホイルの皮肉から始まったのだ。今でこそ主流として支持をされているが、仮説が立証されるまでは、ガモフを馬鹿にする科学者は多かった。

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物質はどうやって生まれてきたか（30） 結果的に、ガモフもホイルもどちらも部分的に正しかった。２人の説を繋げれば宇宙の誕生を説明出来た。現在の宇宙に存在する水素とヘリウムの大部分はガモフの理論で説明出来、それより重い物質はホイルの理論で説明が出来る。

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物質はどうやって生まれてきたか（31） 恒星では原子核同士の合成（核融合）によって様々な元素が作られるが、何が作られるかはその重さ（質量）によって変わってくる。重い恒星ほど重い元素まで合成できる。どの恒星でも最初に起きるのは水素の核融合。水素が次々に融合してヘリウムを作る。

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物質はどうやって生まれてきたか（32） 太陽は宇宙の中では比較的小さな恒星。水素が核融合しヘリウムが増えてくると、比重の重いヘリウムは中心部に溜まる。中心部にある水素が燃え尽きると収縮を始めさらに高温・高密度になり、中心温度が２億度に達するとヘリウムを融合し炭素を合成する。

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物質はどうやって生まれてきたか（33） 我々生命に不可欠な炭素はこのようにして作られた。だが太陽が作ったわけではない。まだ太陽が生まれる前に、どこかの恒星で作られたもの。しかしその星はもう無い。恒星が一生を終える時、そこで作られた物質は宇宙にまき散らされて漂流する。

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物質はどうやって生まれてきたか（34） 流れ流れて、たまたま太陽の周りを漂流していた物が太陽の重力に捕まり、その周りを回り始め、ぶつかり合って惑星を作った。つまり、我々は全員星のかけらで出来ている。

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物質はどうやって生まれてきたか（35） 太陽の中心部で炭素が作られるとき、同時に酸素も作られる。太陽が核融合によって作れる元素はこの酸素まで。ヘリウムと炭素と酸素（原子番号2と6と8）。原子番号3 4 5 7も作られるが極わずか。

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物質はどうやって生まれてきたか（36） どの恒星でも水素を燃料とする期間が一生の大半を占めるので、太陽もヘリウムの燃焼は晩年に起きる。その後太陽はガスの圧力により膨れ上がり赤色巨星となる。この時に地球も飲み込まれる可能性が高い。やがて外層のガスは宇宙空間へと逃げてゆく。

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物質はどうやって生まれてきたか（37） 恒星の死に方もその質量によって異なる。恒星は質量によって主に４つのグループに分かれる。一番軽いのは、質量が太陽の半分以下のグループ。これは水素の燃焼で終わる。その次が太陽の半分から８倍程度までのグループ。太陽はこれにあたる。

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物質はどうやって生まれてきたか（38） 次が太陽の8倍から10倍のグループ。中心温度は8億度を超えアルミニウムまで作り、最後は赤色超巨星となって死ぬ。次が太陽の10倍を超えるグループ。鉄まで作れて最後は超新星爆発で死ぬ。地球から見たら巨大な太陽も、宇宙では２番目に軽いグループ。

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物質はどうやって生まれてきたか（39） 太陽の10倍に満たない恒星のコアは、赤色巨星のガスが散った後に白色矮星となる。太陽の10倍を超える恒星のコアは、超新星爆発の後、中性子星かブラックホールのどちらなになる。白色矮星と恒星からなる連星は核反応暴走型超新星爆発で終わる。

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物質はどうやって生まれてきたか（40） 鉄より重い元素は、赤色超巨星や超新星爆発や中性子星同士の衝突など、星の死に際に作られると考えられている。なぜそこまでわかるか。宇宙には常に星が生まれたり死んだりしている。様々な状態のサンプルが豊富。これらを調べることで太陽の未来もわかる。

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物質はどうやって生まれてきたか（41） このようして、自然界に存在する元素、水素からウランまでがどのようにして生まれてきたかが説明できるようになった。

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物質はどうやって生まれてきたか（42） 宇宙での各元素の存在量をどのようにして調べたか。これは太陽系での存在量を元に計算される。太陽系の物質の99.9％は太陽に集中しているので、太陽系での各元素の存在割合は、ほぼ太陽の値に一致する。

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物質はどうやって生まれてきたか（43） また、おどろくべきことに、ある種の隕石（CIコンドライト）に含まれる元素は、太陽に含まれている各元素の存在割合とよく一致する。それを利用して、微量な元素については、直接測定出来る隕石の分析から存在量が推定されている。

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物質はどうやって生まれてきたか（44） このようにして根気良く調べていくと、ある特徴がみられてくる。「一部の例外を除き、原子番号（陽子の数）が偶数の元素は、隣の奇数番号の元素よりも多く存在する」「原子番号3～5のリチウム、ベリリウム、ホウ素はその近くの元素より極端に少ない」

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物質はどうやって生まれてきたか（45） また、原子番号43、61、84～89、91は、天然にはほぼ存在しないか、無視出来るほど存在量が少ない。これらも、宇宙での元素合成の歴史や、元素（原子核）の安定性に原因があると考えられている。

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物質はどうやって生まれてきたか（46） 天体が放つ光（熱・電磁波）のスペクトルを詳しく調べれば、その温度や、何がどのくらいの割合で存在するかがほぼ正確にわかる。

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物質はどうやって生まれてきたか（47） 夜空を見上げたときに、肉眼で見える星々は、その殆どが天の川銀河の恒星。天の川銀河の外の星は遠すぎて天体望遠鏡を使わないと殆ど見えない。しかし如何に高性能な望遠鏡も光らない星を見ることは難しい。太陽系以外の惑星の姿は、まだ誰も見たことがない。

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物質はどうやって生まれてきたか（48） 見えなくても、ある程度質量が大きければその存在は確認することが出来る。例えば太陽は木星の重力の影響を受けてわずかに揺れている。同じ様な揺れ方をする恒星の周りには、木星のような巨大な惑星が周回していることがわかる。

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物質はどうやって生まれてきたか（49） また、地球から見て水平方向の惑星軌道を持つ恒星は、その恒星の前を惑星が横切る時に陰となり地球に届く光が弱くなる。かつては、惑星を持つ太陽は稀だと思われていたが、今では殆どの恒星に惑星があると考えられいる。

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物質はどうやって生まれてきたか（50） 技術が発達すると、新たに色々なことがわかってくる。かつて、銀河は宇宙に均等に散らばっていると考えられていた。ところが技術が発達し、宇宙をスキャンしてみると、銀河が沢山集まっているある場所と、全くない空間があることがわかった。