アメリカの科学者、バリウムが恒星内で生成される際の核物理反応の不確実性を解消

アメリカの希少同位体ビーム施設（FRIB）とアルゼンチンのタンデム・リニアック加速器システム（ATLAS）の科学者たちが、恒星におけるストロンチウムの生成を理解するうえで重要な核物理反応における大きな不確実性の解消に成功した。この成果にはカナダと欧州の12の研究機関が参加し、別の元素であるクリプトンの同位体の挙動を測定してストロンチウムの生成を推定するという間接的手法が用いられた。宇宙に存在する元素の大部分は恒星の活動によって生み出される。1950年代以降、科学者たちは鉄より重い元素の生成を説明する三つの確立された過程、r過程（急速中性子捕獲過程）、s過程（緩速中性子捕獲過程）、そしてより多くの重い陽子過剰同位体を生成するp過程に頼ってきた。

これらの同位体は中性子捕獲過程では生成できない。いずれの過程も中性子の捕獲または除去を伴い、1990年代までこれらの元素をよく説明していた。しかし科学者たちが古い恒星における特定の元素の組成を観測し始めると、これらの過程による説明にずれが生じ、その一つがストロンチウム元素であった。 ストロンチウム組成の説明　ストロンチウムはアルカリ土類金属の一種で、花火や蓄光塗料に用いられる。考古学の分析にも利用され、同位体を通じて標本の年代と産地を科学者が特定するのに役立っている。天体物理学者にとって、ストロンチウムの生成を理解することは、恒星が元素を生成する核合成プロセスを解明するうえで重要である。

ストロンチウム元素の生成とその重要性

ストロンチウム組成を説明するために提案された過程の一つがi過程である。この過程はs過程とr過程の中間的な条件、すなわち中性子密度と時間スケールが数分程度の条件下で起きる。r過程が急速な中性子捕獲過程、s過程が緩速な中性子捕獲過程であるのに対し、i過程は中性子を素早く吸収してより重い元素を生成する。i過程モデルは多くの元素の組成を説明できるが、ストロンチウムについては生成量が少なすぎるため適用できなかった。ビクトリア大学の物理・天文学教授ファルク・ヘルヴィッヒ（Falk Herwig）は「私たちのモデルはストロンチウム不足の鍵となる未知の要因としてクリプトン88の中性子捕獲を指摘していました」と述べた。

不確実性の解消　中性子捕獲反応は実験室で恒星条件を再現することが難しく、反応頻度や関与する原子核の寿命が短いため、直接測定するのは困難である。研究チームは、クリプトン89というより重い同位体を生成してそれをより低いエネルギー状態に崩壊させるという間接的手法でこの課題に対処した。FRIBのサナトリウム（SuN）検出器を用いてATLASで測定することで、クリプトン89のガンマ線放出を測定し、クリプトン88の中性子捕獲率を間接的に推定することができた。その結果、クリプトン88の中性子捕獲率は理論予測を大きく下回ることが示された。

核の不確実性を解消する重要な進展

この値をi過程モデルに適用すると、生成されるストロンチウムの量が天文学的観測データにはるかに近い結果となった。「この反応速度が分かった今、次のステップはモデルに取り組む私たちの側にある」とヘルヴィッヒはプレスリリースで付け加えた。「主要な核の不確実性が解消されたので、私たちは天体物理学へと進み、中性子密度や燃焼時間を研究し、最も古い恒星で観測されるものとのギャップを縮めることに取り組めます」。研究成果は『Communications Physics』誌に発表されている。

項目	仕様
主要研究機関	希少同位体ビーム施設（FRIB）、アルゼンチンのタンデム・リニアック加速器システム（ATLAS）
主要な元素	ストロンチウム
研究手法	クリプトン89のガンマ線放出の間接測定

ストロンチウム研究が天体物理学に与える影響

ストロンチウムの生成は恒星内の核合成プロセスと密接に関係しており、その生成機構を理解することは天体物理学者にとって極めて重要である。この研究はストロンチウム組成における従来の説明のずれを解消するだけでなく、将来の研究に新たな方向性を示した。重要な不確実性を取り除くことで、科学者たちは恒星内部の核反応をより正確にシミュレーションし、中性子密度や燃焼時間による影響を探求し、宇宙における元素生成の全体的理解を深めることが可能になる。