宇宙爆発が金や白金などの重元素を生成(A Cosmic Explosion Forged Heavy Elements Like Gold and Platinum)

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2025-04-29 コロンビア大学

宇宙爆発が金や白金などの重元素を生成(A Cosmic Explosion Forged Heavy Elements Like Gold and Platinum)
A visualization shows a giant flare erupting from a magnetized star called a magnetar. (NASA/JPL-Caltech)

コロンビア大学のブライアン・メッツガー教授と博士課程のアニルドゥ・パテル氏らの研究チームは、2004年12月27日に観測されたガンマ線バースト(GRB)に関する新たな分析を行い、この爆発が火星の質量を超える大量の重元素(金やプラチナなど)を生成したことを明らかにしました。このGRBは、銀河系内のマグネター「SGR 1806-20」から発生したもので、わずか0.5秒で太陽が25万年かけて放出するエネルギーを放出しました。研究チームは、爆発後に数時間続いたガンマ線の残光が、マグネターの地殻から放出された新たに合成された重元素の放射性崩壊によるものであると結論づけました。これは、これまで中性子星の合体が主な重元素の起源とされていた理論に対し、マグネターの巨大フレアも重要な生成源である可能性を示すものです。この発見は、地球上の貴金属の一部がこのような宇宙的爆発によって形成された可能性を示唆し、宇宙における元素合成の理解を深めるものです。

<関連情報>

SGR1806-20マグネター巨大フレアからのMeV遅延放出におけるr過程核合成の直接的証拠 Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare

Anirudh Patel, Brian D. Metzger, Jakub Cehula, Eric Burns, Jared A. Goldberg, and Todd A. Thompson
The Astrophysical Journal Letters  Published: 2025 April 29
DOI:10.3847/2041-8213/adc9b0

Abstract

The origin of heavy elements synthesized through the rapid neutron capture process (r-process) has been an enduring mystery for over half a century. J. Cehula et al. recently showed that magnetar giant flares, among the brightest transients ever observed, can shock heat and eject neutron star crustal material at high velocity, achieving the requisite conditions for an r-process. A. Patel et al. confirmed an r-process in these ejecta using detailed nucleosynthesis calculations. Radioactive decay of the freshly synthesized nuclei releases a forest of gamma-ray lines, Doppler broadened by the high ejecta velocities v ≳ 0.1c into a quasi-continuous spectrum peaking around 1 MeV. Here, we show that the predicted emission properties (light curve, fluence, and spectrum) match a previously unexplained hard gamma-ray signal seen in the aftermath of the famous 2004 December giant flare from the magnetar SGR 1806–20. This MeV emission component, rising to peak around 10 minutes after the initial spike before decaying away over the next few hours, is direct observational evidence for the synthesis of ∼10−6 M of r-process elements. The discovery of magnetar giant flares as confirmed r-process sites, contributing at least ∼1%–10% of the total Galactic abundances, has implications for the Galactic chemical evolution, especially at the earliest epochs probed by low-metallicity stars. It also implicates magnetars as potentially dominant sources of heavy cosmic rays. Characterization of the r-process emission from giant flares by resolving decay line features offers a compelling science case for NASA’s forthcoming COSI nuclear spectrometer, as well as next-generation MeV telescope missions.

1701物理及び化学
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