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星の物質循環

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恒星は元素の工場

ビッグバンで宇宙が誕生した時には、宇宙には水素とヘリウム、ごくわずかのリチウムとベリリウムしか元素は存在しませんでした。しかし現在、私たちの周りには、酸素や窒素、炭素や鉄といった様々な元素があります。これらの元素はいつ、どこで作られたのでしょう。実はこれら身の回りの元素は、宇宙が生まれてから現在までの137億年間に星の中で作られたものなのです。

一人前に輝く主系列星の中心では、水素原子核4つからヘリウム原子核1つが作られる核融合反応が進んでいます。中心部の水素がなくなるとヘリウムからなる核ができ、やがてこのヘリウムも核融合反応を起こして炭素や酸素といった元素が作られます。太陽よりも約10倍以上重い星の中心部では、炭素や酸素からケイ素、鉄といったさらに重い元素も作られていきます。

元素をまき散らす惑星状星雲超新星爆発

このように、星の中ではさまざまな元素が作られていきますが、それを宇宙空間に放出するのは恒星の一生の最後の姿、惑星状星雲超新星爆発です。超新星爆発を起こさない比較的質量の小さな星の場合には、中心部で作られた炭素や酸素の一部は恒星内部の対流によって外側まで運ばれ、恒星風となって宇宙空間に流れ出し惑星状星雲となります。それよりも重い星の場合は、超新星爆発によって大量の元素を高速で宇宙空間にまきちらします。さらに、非常に高温になる超新星爆発の瞬間にはさまざまな元素合成反応が進み、金や銀といった鉄よりも重い元素が作られ、他の元素と一緒に宇宙空間に散らばります。

次の世代に引き継がれてゆく元素

こうして宇宙空間にばらまかれた元素は、やがて周囲の星間物質と混ざり合い、次の世代の星の材料となります。このようなプロセスを何度もたどることで、宇宙の中にいろいろな元素が少しずつ蓄積されていきます。私たちの体を作る炭素や酸素、身近なところにある鉄や金や銀などすべての元素は、太陽系が生まれる前に宇宙に輝いていた星の中で作られたものなのです。