私たちの宇宙が誕生したばかりの頃、そこに含まれていた唯一の元素は水素でした。これは最も単純な元素であり、それだけでは惑星や人間などの興味深いものを作り出すのに十分ではありませんでした。各水素原子の単一の陽子が負に帯電した電子と対になるのに十分に冷却されるまでに、宇宙の原子の約 92% が水素でした。残りは大部分が融合してヘリウムになり、微量のリチウムと他のいくつかの軽元素が含まれていました。当時、宇宙は寒すぎて他の元素が形成できず、宇宙は 3 億 8000 万年続く暗黒時代に突入しました。
宇宙が膨張して冷えるにつれて、重力が定着し始めました。銀河は合体し、すぐに最初の星が輝き始めました。最初は、この光は星自体の重さだけによるものでした。星が自重で崩壊すると、水素が一緒に圧縮され、熱くなります。これは、パテを手で握ると温まるのと同じです。重力だけでは、これらの星を数百万年しか輝かせることができませんでしたが、核融合の錬金術が始まるのに十分なだけ、これらの星のコアを加熱するのに十分でした.
このように核融合が起こり得るという事実は、多くの点で驚くべきことです。核融合は、2 つの原子核の単純な結合ではありません。ほとんどの星では、水素原子核が融合するほど接近することはできません。水素原子核のペアが近づくほど、それらの正電荷がそれらをより強く引き離します。しかし、原子核は量子物体であるため、融合するほど近くにある必要はなく、同じ球場にあるだけです。そこから、量子トンネリングとして知られる効果が残りを行うことができます。一瞬、二つの原子核がほぼ 融合するのに十分なほど近く、次の瞬間、彼らは突然結合していることに気づきます。原子核にはドアを開けて通り抜けるだけの十分なエネルギーがないかのようですが、ときどき壁を通り抜けてテレポートします。
しかし、このわずかな量子魔法でさえ、星が成功するには十分ではありません。融合が起こらなければならないだけでなく、安定したものを生み出さなければなりません。 2 つの陽子が融合してヘリウム 2 (2 つの陽子を含み、中性子を含まない) になると、非常に不安定になり、通常はすぐに 2 つの別々の陽子に分裂します。しかし、10,000 分の 1 の確率で、陽子の 1 つが代わりに中性子に変化し、原子が水素の安定同位体である重水素になります。重水素と水素は融合して安定したヘリウムを生成し、大量のエネルギーを放出して、星の驚くべき創造的可能性を開きます。
小さな星の場合、水素は核融合できる唯一の元素です。それらがなくなると、暗くなります。しかし、最初の星の中で最大のものは、水素をヘリウムに変換した後、別の方法で燃え続けました。これらの大きな星が水素の融合を止めると、内部の圧力が下がり、重力が再び崩壊し始め、コアの温度が上昇しました。コアが 1 億ケルビンの温度に達すると、ヘリウムが融合してベリリウム (4 つの陽子を持つ原子) になり、ベリリウムとヘリウムが融合して炭素 (6 つの陽子) が生成されました。地球上の生命の中心となる要素は、燃える星の中心部で形成され始めましたが、この炭素が私たちの一部になるまでには、まだ長い道のりがありました.炭素融合から窒素と酸素 (それぞれ 7 個と 8 個の陽子)、生命に必要なさらに 2 つの元素が発生し、これらから鉄 (26 個の陽子) までの融合の連鎖が発生します。
鉄をより重い元素に融合しても、より軽い元素を融合する場合とは異なり、より多くのエネルギーは生成されません。鉄が融合すると、吸収されます。 エネルギー、これは実際には良いことです。元素が常により重い元素に融合した場合、最初の星は単純に無期限に融合し、中性子星、つまり核物質の巨大な未分化のオーブになるまで.しかし、鉄の核融合は実際に星の核を冷却するため、核融合の連鎖は停止します。核融合が停止した後、最初の大きな星は最終的に自重で崩壊し、超新星爆発を引き起こしました。炭素、窒素、酸素が豊富な各星の外層は星間空間に投げ込まれ、これらの星のコアだけが再び中性子星に崩壊しました。
星の核融合と超新星爆発だけで、私たちの周りに見られる元素の多様性を十分に説明できると長い間考えられてきました。しかし、他のエキゾチックなプロセスも同様に重要な役割を果たしていることがわかっています.最近の研究では、2 つの中性子星が衝突すると、金のような希少で重い元素が大量に生成されることが示されています。地球上のすべての金は、そのような衝突によって生成された可能性があります。 (詳細については、「地球の金の隠し場所は、神にふさわしいコライダーから生まれる」を参照してください。)
水素から他の元素への各ステップは、まれな天体および量子プロセスに依存しています。それは、原始物質から私たちに至る吸虫のパレードです。チェーンの各リンクは可能性が低いだけでなく、関係する物理に非常に敏感です。陽子同士を結びつける強い力が 2% 強ければ、ヘリウム 2 は安定します (pdf)。核融合ははるかに容易に起こり、高温で密度の高い星の第 1 世代は出現しなかったでしょう。プロセスのどこかを微調整すれば、宇宙は非常に異なって見え、私たちはおそらく存在しなくなるでしょう.
これは、微調整された宇宙と呼ばれることもあり、生命の存在は、星の融合などの現象が適切に行われることに大きく依存しているという考えです。これは、宇宙の起源について神学的な議論を呼び起こす人もいれば、正反対のことを主張する人もいる考えです.いずれにせよ、1 つのことは明らかです。私たちは明らかにされた宇宙です。私たちと私たちの周りにあるものはすべて水素であり、重力と時間の坩堝によって変換されます。
ブライアン コベルラインは、天体物理学者であり、ロチェスター工科大学の物理学教授です。彼は自分のブログ One Universe at a Time で天文学と天体物理学について書いています。 Twitter @BrianKoberlein でも彼を見つけることができます。
