原子核を分割して、核破砕と呼ばれる過程を経て、その原子核を分割することができます。 これは、宇宙が星の年齢に達すると、新しいリチウム、ベリリウム、ホウ素を生成する圧倒的な方法である。 Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
周期表のすべての元素を取り出して、宇宙での存在量の多さで並べると、ちょっと意外なことがわかります。 最も多い元素は水素で、質量で宇宙の4分の3近くを構成しています。 その次は3位の酸素、4位の炭素、そしてネオン、窒素、鉄、マグネシウム、ケイ素と続きますが、これらはすべて高温で燃焼する大質量星や巨大星の内部で生成されます。 一般に、重い元素はまれで、軽い元素が豊富であるが、リチウム、ベリリウム、ホウ素の3つの大きな例外がある。 しかし、この3つの元素は、3番目、4番目、5番目に軽い元素なのです。 なぜ希少なのか、宇宙の物語を紹介しよう。
今日の太陽系で測定した。 リチウム、ベリリウム、ホウ素は、3番目、4番目、5番目に軽い元素であるにもかかわらず、その存在量は周期表の他の近傍元素をはるかに下回っているのである。 MHz`as/Wikimedia Commons (image); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (data)
熱いビッグバンの直後、最初の原子核はクォーク、レプトン、光子、グルーオン、反粒子の超高エネルギーの海から形成されました。 宇宙が冷えるにつれて、反粒子は消滅し、光子は結合した原子核を吹き飛ばすほどのエネルギーを失ったため、初期宇宙の陽子と中性子は融合し始めた。 もし、地球で見られるような重元素を作ることができれば、宇宙は最初の星が生まれたときから生命の準備が整っていたかもしれません。
宇宙が生命に必要な要素を備えて生まれるという私たちの夢に対しては残念ながら、ビッグバンから3分以上経過するまで、光子のエネルギーが強すぎて、最も単純な重核（陽子1つと中性子1つが結合した重水素）さえ形成されません。 核反応が進む頃には、宇宙の密度は太陽の中心の10億分の1しかありません。
ビッグバン核合成で予測されるヘリウム-3とリチウム-7（赤丸で示したのは観測結果）。 ここで重要なのは、優れた科学理論（ビッグバン核合成）は、何が存在し、何が測定可能であるかについて、確実で定量的な予測をしていることです。 曲線と赤い線は3つのニュートリノ種に対するもので，これより多くても少なくても，特に重水素とヘリウム3についてはデータと激しく衝突する結果になります。 NASA / WMAP Science Team
この結果は、宇宙が約75%の水素、25%のヘリウム4、重水素とヘリウム3がそれぞれ約0.01%、そして約0.0000001%のリチウムでできているということで、まだかなり良い条件だと言えます。 リチウムは多くの用途、技術、そして人間を含む地球上の生物学的機能にとってかなり重要な元素だからです。
しかし、星を作り始めると、すべてが変わります。 そう、星のような密度を達成し、温度が約400万K以上になると、水素をヘリウムに融合し始めるのです。 この核融合は、文字通り「宇宙を変える」ものなのです。
陽子-陽子連鎖で、最初の水素燃料からヘリウム4が生成されます。 これは、太陽やそれに類するすべての星で、水素をヘリウムに融合する核プロセスである。 ウィキメディア・コモンズ利用者 Sarang
星を形成するとき、その天文学的な高温に達するのは水素だけでなく、内部のすべての粒子も同じなのです。 リチウムにとっては残念なことに、この温度はリチウムを爆発させるのに十分すぎる温度なのです。 リチウムが宇宙で最も測定が難しい元素の1つであるのは、主にこの理由からです。現代に到着してリチウムの信号を確実に取り出すことができるようになった時には、宇宙が最初に持っていたものの多くがすでに破壊されているのです。 「宇宙には、炭素、窒素、酸素、リン、そして生命に必要なすべての元素、周期表ではウラン、さらにその上まで、明らかにこれらの重元素で満ちています。 水素より重い元素は、宇宙の過去に対する強力な窓であると同時に、私たち自身の起源に対する洞察も与えてくれるのです。 しかし、リチウムより重い元素はすべて、宇宙の最も古い時代から私たちの手元にあったわけではなく、むしろ後から作られる必要があったのです。 ウィキメディア・コモンズ利用者 ケフェウス
太陽も含め、十分な質量を持つ星がその中心部の水素をすべて燃やしてしまうと、核融合は減速して停止する。
物理学では、ある時間スケールで物質の系が急速に圧縮されると、それは熱を帯びる。 星の内部では、ほとんどがヘリウムのコアが極端な温度に達し、トリプルアルファ過程として知られる特殊な核反応によって、ヘリウムから炭素への核融合が始まる可能性があるのです。 太陽のような星では、炭素で終わり、より重い元素を生成する唯一の方法は、中性子の生成であり、周期表を非常にゆっくりと上昇させることができます。
ヘリウムの核融合が完全に終了すると、星の外層は惑星状星雲で排出され、中心部は縮小して白色矮星になります。
と、発生する恒星系の性質によって向きが変わり、宇宙に存在する多くの重元素の原因となっています。 超巨大星や惑星状星雲期に入った巨大星は、いずれもsプロセスによって周期表の多くの重要元素を作り出していることが示されている。 NASA, ESA, The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
しかし、これよりはるかに質量の大きい星もあり、核がさらに縮小して炭素融合を行うことが可能です。 このような星では、炭素が酸素に、酸素がネオンに、ネオンがマグネシウムに融合し、シリコン、硫黄、アルゴン、カルシウム、そして鉄、ニッケル、コバルトに至るまで、あらゆる元素が作り出されます。
これらの超新星は宇宙の多くの重元素の大部分を生み出し、白色矮星と白色矮星の合体や中性子星と中性子星の合体などの他の事象が残りを生み出しているのです。 惑星状星雲や超新星で一生を終える星と、その残骸の合体の間で、自然界に見られる元素の圧倒的多数を説明することができる。 核融合の最終段階は一般的にシリコン燃焼であり、超新星が起こる前のほんの短い間だけ、コアに鉄や鉄に似た元素を生成する。 超新星残骸の多くは、最も重い元素を最も多く含む中性子星を形成することになる。 Nicole Rager Fuller/NSF
以下のメカニズムの間にある。
- ビッグバン、
- 水素燃焼星、
- ヘリウム燃焼星（中性子の放出と吸収を含む）、
- 炭素・超新星（II型超新星で寿命が尽きる）を含む。
- 白色矮星の合体（Ia型超新星を生成）、
- 中性子星の合体（キロノバと最も重い元素の大部分を生成）、
宇宙で見つかる元素のほとんどすべてを説明することができます。 テクネチウムやプロメチウムのような不安定な元素は、崩壊が早すぎるため、スキップされます。 しかし、最も軽い3つの元素は新しい方法が必要です。ベリリウムやホウ素を作るメカニズムはなく、私たちが目にするリチウムの量はビッグバンだけでは説明できないからです。
の起源は、上の画像に詳述されています。 ほとんどの元素は主に超新星爆発や中性子星の合体で生まれるが、多くの極めて重要な元素は、部分的に、あるいは大部分を、第一世代の星からは生まれない惑星状星雲の中で作られる。 NASA/CXC/SAO/K. Divona
水素は融合してヘリウムになり、ヘリウムは2番元素です。 ヘリウムの原子核が3つ集まって融合して炭素になり、炭素は元素番号6になります。 しかし、その間にある3つの元素はどうでしょうか。 リチウム、ベリリウム、ホウ素はどうでしょうか。
結局のところ、これらの元素をほとんど早く破壊せずに十分な量を作る恒星プロセスは存在せず、それには十分な物理的理由があるのです。 ヘリウムに水素を加えると、リチウム5ができますが、これは不安定で、ほとんどすぐに崩壊してしまいます。 また、ヘリウム4の原子核を2つ融合させてベリリウム8を作ることもできますが、これも不安定ですぐに崩壊してしまいます。 実際、質量が5か8の原子核はすべて不安定です。
軽元素や重元素を含む恒星反応からこれらの元素を作ることはできませんし、星で作る方法はまったくありません。 しかし、リチウム、ベリリウム、ホウ素はすべて存在するだけでなく、ここ地球での生命活動に不可欠です。
細胞には、その第一および第二細胞壁など、おなじみの構造の多くが内部に存在します。 ホウ素は、地球上の生命にとって不可欠な元素です。 ホウ素がなければ、植物の細胞壁も存在しない。 Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
これらの元素は、代わりに、パルサー、ブラックホール、超新星、キロノバ、活動銀河など、宇宙で最もエネルギーの高い粒子源にその存在を負っている。 これらは宇宙で知られる天然の粒子加速器であり、銀河系全体、さらには広大な銀河間距離を越えて、あらゆる方向に宇宙粒子を噴出する。
これらの天体や事象によって生じた高エネルギー粒子はあらゆる方向に移動し、いずれ別の物質の粒子にぶつかることになる。 衝突した粒子が炭素（あるいはもっと重い）原子核であった場合、衝突の高エネルギーが別の核反応を引き起こし、大きな原子核を吹き飛ばし、より質量の小さい粒子のカスケードを作ることができるのです。 核分裂が原子を軽い元素に分割するように、宇宙線と重い原子核の衝突も同様に、これらの重くて複雑な粒子を吹き飛ばすことができます。
降着円盤の中心にある超巨大ブラックホールは、ブラックホールの降着円盤に対して垂直方向に、狭く高エネルギーの物質ジェットを宇宙に送り込みます。 このような事象や天体は、非常に加速された宇宙粒子を生み出し、それが重原子核にぶつかり、小さな部品に吹き飛んでしまうことがある。 DESY、科学コミュニケーション研究所
高エネルギー粒子を重い原子核にぶつけると、大きな原子核はさまざまな構成粒子に分裂してしまいます。 この過程は核破砕と呼ばれ、我々の宇宙でリチウム、ベリリウム、ホウ素の大部分はこのようにして形成された。
私たちが知っているすべての元素がどれほど豊富かを見てみると、3番目、4番目、5番目の軽い元素は、表面的には驚くほど少ないのです。 ヘリウムと炭素の間には大きな隔たりがありますが、その理由がやっとわかりました。 これらの元素は、宇宙を横切る粒子の偶然の衝突によってのみ生成されるため、炭素、酸素、ヘリウムに比べて数十億分の一の量しか存在しないのです。 宇宙線の破砕は、私たちが星の時代に入ると、それらを作る唯一の方法であり、数十億年後、これらの微量元素でさえ、生命の本に不可欠です。