神山天文台が明らかにした新星爆発によるリチウム生成量の多様性
米国天体物理学誌「The Astrophysical Journal」オンライン版に掲載決定

2021.07.07

リチウムは宇宙における元素の起源や物質進化を探る上で重要な元素です。最近になって古典新星で多量のリチウムが生成され、宇宙に放出されていることが分かってきました。このたび、京都産業大学の研究チームらは国立天文台すばる望遠鏡の共同利用で、いて座新星2015 No.3(V5669 Sgr)の観測を実施し、史上8例目となるリチウム生成の現場を捉えることに成功しました。推定したリチウム生成量は、これまで調べられた新星での生成量の数パーセントと少ないことが分かり、新星によってリチウム生成量には大きな多様性があることが明らかになりました。
 

リリース日:2021-07-07

研究体制

京都産業大学神山天文台と国立天文台の研究グループ

発表論文

「Detection of 7Be II in the Classical Nova V5669 Sgr (Nova Sagittarii 2015 No.3)」
(古典新星V5669 Sgr(いて座新星2015No.3)におけるベリリウム7の検出)

著者(研究当時)

新井 彰1、河北 秀世、新中 善晴 (京都産業大学)
田実 晃人(国立天文台)

1・・・筆頭著者

概要

リチウムは、最初ビッグバン時に大量に作られ、その後、宇宙の様々な天体で作られていると考えられています。そのため、宇宙における元素の起源や物質進化を探る上で重要な元素です。最近になって古典新星で多量のリチウムが生成され、宇宙に放出されていることが分かってきました。
京都産業大学らの研究チームは、国立天文台すばる望遠鏡の共同利用で「いて座新星2015 No.3(V5669 Sgr)」の観測を実施し、史上8例目となるリチウム生成の現場をとらえることに成功しました。推定したリチウム生成量は、これまで調べられた新星での生成量の数パーセントと少ないことが分かり、新星によってリチウム生成量には大きな多様性があることが明らかになりました。これまでの観測からは、ビッグバン以降に作られた銀河系のリチウムの大部分を新星起源で説明できていましたが、今回の観測により、リチウム生成が少ない新星も存在することが分かり、超新星など他の天体の寄与も重要であると考えられます。
一方で、現在の新星爆発のシミュレーションでは、観測されているリチウムの生成量を説明できていません。今後、これまでリチウム生成が報告されている新星爆発を起こした連星系の物理情報が明らかになることで、リチウム生成量の多様性が何によって生じるのか明らかになっていくと期待されます。
なお、本研究は、文部科学省 私立大学戦略的研究基盤形成支援事業(課題番号:S1411028)、JSPS科研費(課題番号: JP15K13466、JP19K03933、JP20K14541)の助成を受けて行われました。

背景

水素・ヘリウムに次いで3番目に軽い元素のリチウムは、スマートフォンなどに用いられるバッテリーの原料となるなど、現代の私たちの生活になくてはならない元素です。実は、このリチウムは天文学者にとっても非常に重要な元素なのです。宇宙に存在するリチウムは、少量(約一割)がビッグバンで作られたと考えられています。大部分のリチウムは、その後、宇宙の様々な天体で作られていると考えられており、宇宙における元素の起源と進化を知る上で欠かせない元素です。
リチウムはビッグバンにより合成されたことは分かっていましたが、現在の宇宙に存在するリチウムの量はそれだけでは説明ができません。そのため、宇宙線による核子崩壊や、超新星、AGB星、新星といったガス放出を伴う天体によってリチウムが生成されているのではないかと理論的に予想されてきましたが、その証拠は得られていませんでした。京都産業大学と国立天文台の研究者らによるすばる望遠鏡を用いた2013年のV339 Delの観測によって、多量のリチウムが新星爆発により作られ、宇宙に放出していることが初めて観測的に明らかになりました(*1)。その後も、すばる望遠鏡によって次々と続例が報告されており、新星におけるリチウム生成を明らかにしていくことで、今まで大きな謎であった宇宙のリチウム進化の姿を明らかにできると期待されています。

研究成果

今回、京都産業大学と国立天文台の新星の研究グループは、2015年に出現した、いて座新星(V5669 Sgr)を国立天文台ハワイ観測所のすばる望遠鏡を使って観測し、スペクトル中に、リチウム生成の証拠であるベリリウム7の吸収線を見つけました(図1)。
今回の検出は8例目ですが、注目されるのは、推定したリチウム生成量がこれまで調べられた新星での生成量の数パーセントしかないことです。これにより、新星によるリチウム生成量に100倍程度の大きな多様性があることが明らかになりました。これまでの観測からは、ビッグバン以降に作られた銀河系のリチウムの大部分を新星起源で説明できていましたが、リチウム生成が少ない新星も存在することがわかったことにより、超新星などの他の天体も宇宙のリチウムにある程度寄与している可能性があります。

今後の展開

一方で、物理過程を丁寧に再現している新星爆発のシミュレーションは、新星で観測されたリチウム生成量を十分説明できていません。今後、これまでリチウム生成が報告されている新星爆発を起こした連星の物理情報(質量比、伴星の元素組成など)が明らかになることで、新星におけるリチウム生成量の多様性が何によって生じるのか明らかになっていき、ひいては銀河系の元素組成の進化の理解が進と期待されます。

用語・事項の解説

*1 新星爆発におけるリチウム生成

新星とは、白色矮星と進化のすすんだ恒星(伴星)からなる連星系において、伴星のガスが白色矮星表面に降り積もることで、白色矮星表面が高温・高圧になり爆発的な核融合を起こす現象と考えられています(図2)。その爆発の際に、白色矮星表面でヘリウムの同位体であるヘリウム3とヘリウム4が核融合を起こして、放射性同位体であるベリリウム7が作られます。ベリリウム7は半減期53日でリチウムへと変化することが知られています(図3)。つまり、新星の爆発放出物中にベリリウム7があるということは、新星爆発でリチウムが生成されることを意味します。

参考図

図1.古典新星V5669 Sgrのスペクトルに見られるベリリウム7(7Be)の吸収線(青色と赤色のハッチの領域)。約-1000 km/sと約-2000 km/sに2つの速度成分のベリリウム7の吸収線が検出された。
図2.新星爆発の想像図。
新星爆発(古典新星)は、白色矮星(図中央右側)と伴星(同左; 太陽のような主系列星もしくはそこから進化した赤色巨星)からなる連星系で起こる爆発現象だと考えられています。この二つの星の距離が非常に近い場合(近接連星とよびます)、伴星表面のガスの一部が白色矮星に向かって流れ込み、降着円盤を形成しながら白色矮星の表面に降り積もるようになります。この降り積もったガスの層が次第に厚くなってくると温度と密度が上昇し、核融合が発生します。白色矮星表面の薄いガス層では核融合は一気に暴走し、発生したエネルギーによって白色矮星の表面に薄く降り積もったガス層が吹き飛ばされる爆発現象を起こすと考えられています。
(クレジット:京都産業大学)
図3.新星爆発時に 7Be そして 7Li を生成する核反応。まず、爆発時に図の左側青い矢印で示した反応により 3He と 4He から一気に 7Be が合成されます。その後、爆発により吹き飛ばされたガス塊の中でゆっくりと緑の矢印で示した 7Li への変化 (電子捕獲) が起きます。
(クレジット:国立天文台)

論文情報

論文タイトル Detection of 7Be II in the Classical Nova V5669 Sgr (Nova Sagittarii 2015 No.3)
(古典新星V5669 Sgr(いて座新星2015No.3)におけるベリリウム7の検出)
掲載誌 米国天体物理学誌「The Astrophysical Journal」(オンライン版)
掲載日 2021年7月中の予定
著者 新井 彰1、河北 秀世、新中 善晴(京都産業大学)
田実 晃人(国立天文台)
1筆頭著者)(研究当時)

謝辞

この研究は、文部科学省 私立大学戦略的研究基盤形成支援事業(課題番号:S1411028)、JSPS科研費(課題番号: JP15K13466、JP19K03933、JP20K14541)の助成を受けて行われました。
お問い合わせ先
京都産業大学 広報部
〒603‐8555 京都市北区上賀茂本山
Tel.075-705-1411
kouhou-bu@star.kyoto-su.ac.jp
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