元素の起源と銀河の生い立ちを解明したい

私たちや周りのものをつくる元素のほとんどは、さかのぼると宇宙で星によりつくり出されたものです。私たちの起源を知ることにつながる点で重要である一方、宇宙初期のような、平均的に重元素の存在量が低い環境において元素の供給源となる天体は完全には解明されていません。元素の起源や銀河の生い立ちを調べる研究活動に対する応援をお願いいたします。

♦︎ 元素の起源と銀河の生い立ちをたどる

周期表の元素のうちビッグバンの直後に合成されたのは、最も軽い水素、ヘリウムとわずかなリチウムであったと言われています。宇宙でのガスからの星の形成、星の元素合成、星から放出された元素と周囲のガスの混合、そして新たに星が誕生するというサイクルにより、様々な元素がつくられます。この過程は化学進化と呼ばれます（図1）。

（図1）化学進化のようす。一般に、太陽の8~10倍程度より重い星は超新星爆発やブラックホール、より軽い星は惑星状星雲として一生を終え、合成した元素を含む物質を周囲に放出する（図の右側）。その重元素を含むガスから新たに星が生まれるというサイクルにより、元素の存在量が変化する。

また、星は集まり銀河をなします。銀河は、星のもととなるガスの獲得や消費、銀河同士の合体などの過程を経て大規模になります。 また、銀河のガスの重元素の存在量は、化学進化により変化します。

天の川銀河も銀河の一つであり、約46億年前に太陽系が形成され、地球では生物が進化しました。私たちや周りのものをつくる元素と星・銀河はつながっているので、私たちの起源を理解するうえで元素の供給源となる天体を調べることは重要である一方、まだ完全にはわかっていません。この疑問に取り組む方法の一つは、理論モデルによる予測と観測データとの比較です（図2）。

（図2）方法をまとめた図。まず、1のように銀河における様々な元素の存在量を計算機を用いて予測し、2のように星の観測データの傾向と比較する。2のグラフは天の川銀河周辺の銀河の例。縦軸と横軸の値は、太陽値に対する値を対数表記したもの。図における右側・上側ほど値が大きい。観測データは、大型望遠鏡を用いて取得された値を過去の資料[1]から集めた。

銀河の化学進化を数式を用いて表し、計算を行うことにより予測される銀河の元素の存在量と、観測により測定される星やガスの元素の存在量との比較により、元素の供給源となる天体やそれらの相対的な重要度、銀河の生い立ちなどについての情報が引き出されます。

この手法により、太陽近傍での観測値から元素の供給源の相対的な重要度が見積られてきました。ただし、個々の星により合成される元素の種類や量はその星の物理量に依るため、元素の供給源やそれらの相対的な重要度は、宇宙のどの時代、どの場所でも太陽近傍とは同じとは限りません。宇宙初期のような平均の重元素の存在量が低い環境における元素の供給源を知る手がかりとなるのが、小質量銀河です。

♦︎ なぜ小質量銀河？

過去の銀河の観測により、質量の小さい銀河ほど平均の重元素の存在量が低いという傾向が知られています。また、現在有力な宇宙論モデルから、宇宙における大きな構造は、小規模な構造の衝突や合体により形成されたと言われています。小質量銀河の化学進化を調べることにより、重元素の存在量が低い環境での元素の供給源や、質量の大きい銀河の部品となるような銀河の生い立ちの解明につながるはずです。

天の川銀河に比べ、質量がおよそ1/1000倍より小さいような銀河は、矮小銀河（天文学辞典：https://astro-dic.jp/dwarf-galaxy/）に分類されます。天の川銀河の周辺にも矮小銀河が存在し、宇宙年齢に匹敵するほど古い星の元素組成など、過去の宇宙における元素の供給源や星形成についての手がかりとなるような物理量が測定されています。私たちは、矮小銀河の元素の存在量の予測値と観測データとの比較などにより、自転速度の異なる大質量星など、異なる元素の供給源による矮小銀河の化学進化への寄与などについて議論してきました[2]。

同時に、それぞれの元素に対し複数の供給源が挙げられており、銀河でもいくつもの物理過程が起こるため、この成果だけで全てが解明されたということにはなりません。例えば、極端に重元素の存在量が少ないガスから誕生する星の一生や元素合成は、現在活発に議論されています。異なる元素の供給源や銀河の物理過程を含むモデルの作成や、その予測と観測データとの比較などを通し、私たちや周りのものをつくる元素の起源や、銀河の生い立ちの解明に近づけるはずです。

国内外で活発に議論が行われており、関連分野の新しい成果が次々に発表されています。比較的短期間で応援していただいた資金を研究活動に反映させられるため、クラウドファンディングを実行しました。

リターンとして、ホットトピックスなどを加えたような内容のレポートをお送りする予定です。価値がつけにくいことから、ご支援額にかかわらず同一のレポートとさせていただきます。この研究活動への応援をお願いいたします。

♦︎ 用途：研究会参加のための費用の一部や、研究活動を継続するために必要な費用に用いさせていただきます。例えば、研究会に参加する費用の一部が用意できれば、研究成果を海外の研究者と議論できるだけでなく、文献調査だけではわかりにくい情報を得たり、今後取り組む課題の計画を作成したりできます。また、研究活動として、モデルの作成や計算に加え、この研究を異なる分野と関連づけ、将来の大型望遠鏡を用いた観測、実験や理論研究を提案できる可能性があります。

♦︎ トップ画像について

計算により得られる元素の存在量の予測値についての図を楽譜のように加工したもの。

♦︎ 参考：

[1] Mashonkina L., et al. 2017 A&A 608A 89, Hill V., et al., 2019 A&A 626A 15

[2] 過去の発表論文：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.524.4688F/abstract

責任：深川奈桜

単純な理論モデルを用いて銀河の化学進化について研究している。現在、博士論文作成中。日本天文学会や国内外の研究会での発表、国際ジャーナルでの論文出版がある。