PPT 星の進化と超新星爆発 - Sophia

和南城伸也（上智大物理）

和南城伸也（上智大物理）

wanajo@sophia.ac.jp wanajo@sophia.ac.jp

www.ph.sophia.ac.jp/~shinya www.ph.sophia.ac.jp/~shinya

星の進化と元素の起源 星の進化と元素の起源

－我々はどこからきたのか－

－我々はどこからきたのか－

「星の数ほど」とは言うけれど…



肉眼で見える星の数は、（たったの） 2000 個くらい

www.nao.ac.jp

銀河系には、約

銀河系には、約 2000 2000 億個の星がある 億個の星がある

hubblesite.org

宇宙には、銀河系が「星の数ほど」ある

宇宙には、銀河系が「星の数ほど」ある

遠くを見る＝過去に遡る 遠くを見る＝過去に遡る

最初の最初の 銀河銀河

宇宙の宇宙の 晴れ晴れ 上がり上がり 最初最初

の星の星

ビッグビッグ バンバン

　　　宇宙年齢（億年）　　

ハッブルハッブル 宇宙望遠鏡 宇宙望遠鏡 で見れる範囲 で見れる範囲 ジェームズ ジェームズ

ウェブウェブ 宇宙望遠鏡 宇宙望遠鏡

( ( 2011 2011

年～年～

) )

でで

見れる範囲 見れる範囲

現在の現在の 宇宙宇宙

暗 黒

時

暗 黒

時

代 代

9.5 9.5 3 3 0.004 0.004 0 0

137 137

元素 元素 はどこから来たのか？ はどこから来たのか？



ビッグバンでは，水素，ヘリウム，リチウムのみが作られたビッグバンでは，水素，ヘリウム，リチウムのみが作られた



その他の約その他の約 100100 個の元素は星の中の核融合によって作られた個の元素は星の中の核融合によって作られた

1

H

₂

He

3

Li

₄

Be

₅

B

₆

C

₇

N

₈

O

₉

F

₁₀

Ne

11

Na

₁₂

Mg

₁₃

Al

₁₄

Si

₁₅

P

₁₆

S

₁₇

Cl

₁₈

Ar

19

K

₂₀

Ca

₂₁

Sc

₂₂

Ti

₂₃

V

₂₄

Cr

₂₅

Mn

₂₆

Fe

₂₇

Co

₂₈

Ni

₂₉

Cu

₃₀

Zn

₃₁

Ga

₃₂

Ge

₃₃

As

₃₄

Se

₃₅

Br

₃₆

Kr

37

Rb

₃₈

Sr

₃₉

Y

₄₀

Zr

₄₁

Nb

₄₂

Mo

₄₃

Tc

₄₄

Ru

₄₅

Rh

₄₆

Pd

₄₇

Ag

₄₈

Cd

₄₉

In

₅₀

Sn

₅₁

Sb

₅₂

Te

₅₃

I

₅₄

Xe

55

Cs

₅₆

Ba

ランタノイド 72

Hf

₇₃

Ta

₇₄

W

₇₅

Re

₇₆

Os

₇₇

Ir

₇₈

Pt

₇₉

Au

₈₀

Hg

₈₁

Tl

₈₂

Pb

₈₃

Bi

₈₄

Po

₈₅

At

₈₆

Rn

87

Fr

₈₈

Ra

アクチノイド104

Rf

₁₀₅

Db

₁₀₆

Sg

₁₀₇

Bh

₁₀₈

Hs

₁₀₉

Mt

₁₁₀

Ds

_{111 112 114 116}

ランタノイド 57

La

₅₈

Ce

₅₉

Pr

₆₀

Nd

₆₁

Pm

₆₂

Sm

₆₃

Eu

₆₄

Gd

₆₅

Tb

₆₆

Dy

₆₇

Ho

₆₈

Er

₆₉

Tm

₇₀

Yb

₇₁

Lu

アクチノイド89

Ac

₉₀

Th

₉₁

Pa

₉₂

U

₉₃

Np

₉₄

Pu

₉₅

Am

₉₆

Cm

₉₇

Bk

₉₈

Cf

₉₉

Es

100

Fm

₁₀₁

Md

₁₀₂

No

₁₀₃

Lr

我らは「星の子」

我らは「星の子」 ？ ？



我々の体を作る元素（炭素，酸素など）や生きるために必要な我々の体を作る元素（炭素，酸素など）や生きるために必要な 金属元素（鉄，亜鉛など）は，星の中の核融合でで作られた 金属元素（鉄，亜鉛など）は，星の中の核融合でで作られた

酸素（ 酸素（ 65%) 65%)

炭素 炭素

（ （ 18%) 18%)

水素水素

（（ 10%)10%)

その他（

その他（ 1.5%)1.5%)

－窒素

－窒素 (3%) (3%)

－ カルシウム

－ カルシウム (1.(1.5%)5%)

－リン

－リン (1%)(1%)

 全ての物質 全ての物質 ((元素元素) ) は，陽子，中性子，電子からなるは，陽子，中性子，電子からなる

 恒星（太陽など）の中心付近は高温 恒星（太陽など）の中心付近は高温 ((数千万度数千万度) ) なのでなので 電子が剥ぎ取られた原子核

電子が剥ぎ取られた原子核 ((プラズマプラズマ) ) として存在するとして存在する

元素の構成要素 元素の構成要素

( 陽子 2 ，中性子 2)ヘリウム 炭素

( 陽子 6 ，中性子 6) 電荷 0中性子

電荷 +1陽子

電荷 － 1電子

（陽子 1 ，中性子 0 ）水素

核融合 核融合

 地球上では，原子核の電気の反発により，天然には核融合は地球上では，原子核の電気の反発により，天然には核融合は 起こらない（加速器や原子炉では起こる）

起こらない（加速器や原子炉では起こる）

 星の内部は高温 星の内部は高温 (1(1千万度以上千万度以上) ) なので，核融合が起こるなので，核融合が起こる すなわち，異なる元素を作ることができる（錬金術？）

すなわち，異なる元素を作ることができる（錬金術？）

 星は核融合のエネルギーで輝いている（次世代星は核融合のエネルギーで輝いている（次世代のエネルギー）のエネルギー）

ニュートリノ 陽電子

電荷 +1

電荷 +1水素 水素

電荷 +1

電荷 +1重水素

電荷 +6炭素 炭素

電荷 +6 マグネシウム 電荷 +12

光エネルギー

sohowww.nascom.nasa.gov

太陽

プロフィール



年齢： 47 億歳

（寿命約 100 億年）



身長： 140 万 km

（地球の 109 倍）



体重： 2×10

30

kg

（地球の 33 万倍）



体温： 5800 度

（中心は 1500 万 度）



主食：水素



趣味：核融合

太陽は核融合炉 太陽は核融合炉

 中心温度： 中心温度： 15001500万度万度

 水素核融合のエネルギーで水素核融合のエネルギーで 輝いている

輝いている

 我々は，我々は，100100万年前に作られた光と万年前に作られた光と 8

8分分1919秒前に作られたニュートリノを浴びている秒前に作られたニュートリノを浴びている

（陽子）水素

光

ニュートリノ

（陽子 2 ，中性子 2 ）ヘリウム

50 50 億年後… 億年後…

 中心温度： 中心温度： 11億度以上億度以上

 ヘリウム核融合でヘリウム核融合で 炭素，酸素が作られる 炭素，酸素が作られる

 ヘリウムが燃え尽きると，赤色巨星となり，やがて惑星状星雲となり，炭素と酸素からなる白色矮星が残されるヘリウムが燃え尽きると，赤色巨星となり，やがて惑星状星雲となり，炭素と酸素からなる白色矮星が残される

ヘリウム

（陽子６，中性子６）炭素 酸素

（陽子８，中性子８）

Helix Nebula (NGC 7293)

hubblesite.org

Helix Nebula (NGC 7293)

hubblesite.org

星の進化と元素合成 星の進化と元素合成

H

白色矮星 中性子星 ブラックホール 超新星爆発

O, Ne, Mg,

Si, Fe 等の起源

H H e

0.1

M

_ 以上

H e H C O

0.5

M

_ 以上

H e H C O O

N eM g

8

M

_ 以上

H e H

C O

O N e

M g S i

F e

10

M

_ 以上

1

M 

= 1 太陽質量

= 2 x 10

33

g

0.1

M

_ 以下

惑星状星雲

C, N 等の起源

超新星爆発 ― 大質量星の死 超新星爆発 ― 大質量星の死

― ―



中心に中性子星またはブラックホールを残して中心に中性子星またはブラックホールを残して 星の大部分を吹き飛ばす大爆発

星の大部分を吹き飛ばす大爆発



太陽の約太陽の約 100100 億倍の明るさ（銀河系の明るさに匹敵）億倍の明るさ（銀河系の明るさに匹敵）



元素の主要な起源と考えられている（爆発で撒き散らす）元素の主要な起源と考えられている（爆発で撒き散らす）

www.nao.ac.jp

超新星爆発直前の星（ベテルギウス）？

超新星爆発直前の星（ベテルギウス）？

hubblesite.org

地球の軌道の大きさ 木星の軌道の大きさ

鉄より重い元素は作れない？

鉄より重い元素は作れない？

光

（陽子 26 ，中性子 30 ）鉄

 温度を上げると（約温度を上げると（約100100億度），核融合せずに億度），核融合せずに バラバラになってしまう（光分解）

バラバラになってしまう（光分解）

 光のエネルギーが失われ，重力崩壊が始まる光のエネルギーが失われ，重力崩壊が始まる

超新星爆発のメカニズム（Ⅰ）

超新星爆発のメカニズム（Ⅰ）

－コアバウンス－

－コアバウンス－

 



光分解により，鉄のコアの重力崩壊が始まる光分解により，鉄のコアの重力崩壊が始まる



中心に中性子星が形成され中心に中性子星が形成され 重力崩壊が止まる

重力崩壊が止まる



さらに落ちてきた物質がさらに落ちてきた物質が 中性子星の表面で跳ね返る 中性子星の表面で跳ね返る



衝撃波が外層に伝わり衝撃波が外層に伝わり 爆発に至る？

爆発に至る？



衝撃波のエネルギーが衝撃波のエネルギーが 鉄の光分解で失われ 鉄の光分解で失われ

爆発に至らない 爆発に至らない ????

超新星爆発のメカニズム（

超新星爆発のメカニズム（ 2 2 ） ）

－ニュートリノ加熱－

－ニュートリノ加熱－

 



重力エネルギーが熱に転化され重力エネルギーが熱に転化され ニュートリノの生成がが始まる ニュートリノの生成がが始まる



ニュートリノの約ニュートリノの約 1%1% がが

中性子星付近の物質を温める 中性子星付近の物質を温める



温められた物質が膨張し温められた物質が膨張し 衝撃波が復活する

衝撃波が復活する



衝撃波が外層に伝わり衝撃波が外層に伝わり 爆発に至る

爆発に至る



中性子星（またはブラックホール）中性子星（またはブラックホール）

が残される が残される

Burrows, Hayes & Fryxell (1995)

超新星爆発の 超新星爆発の

コンピューターシミュレーション

コンピューターシミュレーション

超新星爆発の記録 超新星爆発の記録

そして。。。。

藤 原定 家「 明 月 記」 や 中国 の 「宋 史」 記 さ れ た 超 新 星 爆 発

「 天 に客 星 あ り 」

か に 星 雲^{昼 間で}は こ の 超 新 星 の 残^{も 日 間}

20

^{ほ ど 見 え た} 骸 西 暦

1 05 4

年

西 暦

1 00 6

年

カ シオ ペ ア 座に出 現 し た

「 チコ の 超 新 星 」

チコ ・ブ ラ ー ヘ に よ っ て観 測さ れ た

ケ プ ラ ー の 超 新 星

こ れ 以 来 、 我 々 の 銀 河 系 内 で は 観 測さ れ て い な い

西 暦

1 57 2

年

西 暦

1 60 4

年

1987 1987 年 年 2 2 月 月 23 23 日 日

超新星 超新星 1987 1987 Ａ Ａ



_{ケプラーの超新星以来ケプラーの超新星以来} 383383 年ぶりに肉眼で年ぶりに肉眼で

確認できる超新星が 確認できる超新星が

大マゼラン星雲に出現 大マゼラン星雲に出現

!! !!

超 新 星 の第 一 報を知らせる ファッ クス

超新星からのニュートリノ 超新星からのニュートリノ



_{カミオカンデがカミオカンデが SN1987ASN1987A} から放出されたニュートリノを検出から放出されたニュートリノを検出 !!

 13

₁₃

秒間に

_秒間に

11

₁₁

個のニュートリノ

_{個のニュートリノ}

地球上に

地球上に

1cm

1cm²²

あたり

あたり

100

100

億個のニュートリノが降り注いだ

億個のニュートリノが降り注いだ !!!!



超新星爆発の理論がほぼ正しいことが実証された超新星爆発の理論がほぼ正しいことが実証された !!!!!!

←

強度

東 京

大 学

宇 宙 線 研

究 ュ 所ニ

ー

ト リ ノ 測 定 装

「

置

カミ オ カン

デ

」

祝！小柴先生 祝！小柴先生



「ニュートリノ天文学「ニュートリノ天文学 」という研究」という研究 分野を切り開いた功績分野を切り開いた功績 により，小柴昌俊さんが

により，小柴昌俊さんが 20022002 年ノーベル物理学賞年ノーベル物理学賞 を受賞を受賞



特に，カミオカンデによる超新星特に，カミオカンデによる超新星 1987A1987A のニュートリノ検出のニュートリノ検出 が評価された

が評価された

現在の姿

金はどこからきたのか‥‥

重元素の起源 重元素の起源



星の進化では鉄までつくられる（周期表の星の進化では鉄までつくられる（周期表の 33 分の分の 11 ））



_{重元素 重元素 ((} 金，銀，プラチナ，…，金，銀，プラチナ，…， etc.) etc.) はどこで作られたはどこで作られた??

（まだよく分かっていない）

（まだよく分かっていない）

1

H

₂

He

3

Li

₄

Be

₅

B

₆

C

₇

N

₈

O

₉

F

₁₀

Ne

11

Na

₁₂

Mg

₁₃

Al

₁₄

Si

₁₅

P

₁₆

S

₁₇

Cl

₁₈

Ar

19

K

₂₀

Ca

₂₁

Sc

₂₂

Ti

₂₃

V

₂₄

Cr

₂₅

Mn

₂₆

Fe

₂₇

Co

₂₈

Ni

₂₉

Cu

₃₀

Zn

₃₁

Ga

₃₂

Ge

₃₃

As

₃₄

Se

₃₅

Br

₃₆

Kr

37

Rb

₃₈

Sr

₃₉

Y

₄₀

Zr

₄₁

Nb

₄₂

Mo

₄₃

Tc

₄₄

Ru

₄₅

Rh

₄₆

Pd

₄₇

Ag

₄₈

Cd

₄₉

In

₅₀

Sn

₅₁

Sb

₅₂

Te

₅₃

I

₅₄

Xe

55

Cs

₅₆

Ba

_{ランタノイド 72}

Hf

₇₃

Ta

₇₄

W

₇₅

Re

₇₆

Os

₇₇

Ir

₇₈

Pt

₇₉

Au

₈₀

Hg

₈₁

Tl

₈₂

Pb

₈₃

Bi

₈₄

Po

₈₅

At

₈₆

Rn

87

Fr

₈₈

Ra

アクチノイド104

Rf

₁₀₅

Db

₁₀₆

Sg

₁₀₇

Bh

₁₀₈

Hs

₁₀₉

Mt

₁₁₀

Ds

_{111 112 114 116}

ランタノイド 57

La

₅₈

Ce

₅₉

Pr

₆₀

Nd

₆₁

Pm

₆₂

Sm

₆₃

Eu

₆₄

Gd

₆₅

Tb

₆₆

Dy

₆₇

Ho

₆₈

Er

₆₉

Tm

₇₀

Yb

₇₁

Lu

アクチノイド89

Ac

₉₀

Th

₉₁

Pa

₉₂

U

₉₃

Np

₉₄

Pu

₉₅

Am

₉₆

Cm

₉₇

Bk

₉₈

Cf

₉₉

Es

100

Fm

₁₀₁

Md

₁₀₂

No

₁₀₃

Lr

中性子によって作られた 中性子によって作られた ? ?



中性子は電荷中性子は電荷 00 なので電気の反発力がないなので電気の反発力がない (( 光分解を起こさない低い温度で光分解を起こさない低い温度で OK)OK)



超新星爆発の際に，中性子星付近で作られた？超新星爆発の際に，中性子星付近で作られた？

（現在，最も有力な説）

（現在，最も有力な説）

（電荷 0 ）中性子

（電荷＋）原子核

超新星の中の錬金術 超新星の中の錬金術



原始中性子星付近では光分解により全ての元素が原始中性子星付近では光分解により全ての元素が 中性子と陽子に壊される

中性子と陽子に壊される



電子捕獲によりその大部分が中性子になる電子捕獲によりその大部分が中性子になる



元素が次々と中性子を捕獲し元素が次々と中性子を捕獲し 数秒で重元素

数秒で重元素

(( 金，銀，プラチナ，ウラン等金，銀，プラチナ，ウラン等 )) が作られる

が作られる !!!!

超新星爆発における核融合の 超新星爆発における核融合の

数値シミュレーション 数値シミュレーション

Wanajo et al. (2003)

金は星の最後の煌きの中で作られたらしい‥‥

星の輪廻転生

星の輪廻転生

星の中で_星の中で

元素が作られる 元素が作られる 超新星爆発で

超新星爆発で

元素が撒き散らされる 元素が撒き散らされる

その周辺で その周辺で 星が生まれる 星が生まれる



星の輪廻転生によって星の輪廻転生によって 物質の豊かな宇宙になり 物質の豊かな宇宙になり

我々がここに存在する 我々がここに存在する !!!!

残された謎…

残された謎…



元素（物質）は元素（物質）は 宇宙の構成要素の 宇宙の構成要素の 約約 4%4% にすぎないにすぎない



残りは，未知の残りは，未知の 暗黒物質 および 暗黒物質 および

暗黒エネルギー 暗黒エネルギー



我々は，世界の我々は，世界の 96%96% を知らない…を知らない…