【原】磷是新星爆发产生的——逼近必需元素的起源——

磷是新星爆发产生的——逼近必需元素的起源—— 新闻发布会 NAOJ Logo 日期: 2024年5月10日 辻本拓司(国立天文台JASMINE项目助教) 户次贤治(西澳大利亚大学国际射电天文学研究中心教授) 发布概述 磷是合成基因不可缺少的元素。 那个到底是在宇宙的哪里制造的，我们至今没有明确的答案。 这次，查明了恒星进化的最后阶段残留的白矮星中最重的星星的表面产生的爆炸会合成大量的磷。 此外，研究还表明，46亿年前太阳系诞生时，其爆炸频率，即向宇宙的磷供应率比现在高。图1 :从新星爆炸产生磷到地球生命( DNA )诞生的概念图。 新星是由白矮星和演化恒星构成的连接星系中，来自恒星的气体降落在白矮星表面而产生的爆炸现象。 在那个时候的核聚变反应中会合成大量的磷。 在这次新星爆炸中合成的磷，不久就作为宇宙尘埃和陨石的一部分降落到地球上，合成了遗传因子DNA等，被认为促成了生命的诞生。 (信用:国立天文台) 发表内容 磷元素是生命中不可缺少的非常宝贵的元素。 因为磷对于制造基因DNA、RNA和细胞膜是不可缺少的。 因为生物的身体是由细胞构成的，所以那个所有的细胞都含有磷。 那么，到底磷是怎么制造出来的呢？ 所有的元素都是通过宇宙的诞生和进化产生的。 也就是说，一切都是宇宙起源。 最初在宇宙诞生的同时制造了氢。 这种氢是应该成为所有元素原点的原材料，出现了元素创制的呼声。 然后，在宇宙诞生几亿年的时间过后，宇宙中就会诞生第一颗星星。 在那个星球上，碳和氧等以前在宇宙中不存在的新元素一个接一个地被产生出来。 那颗星星不久也会迎来死亡。 根据伴随着这个星球死亡的星球大爆炸为代表的现象，元素向宇宙开放。 这颗星球的大爆炸被称为超新星。 由于超新星这一伴随着星星死亡的现象，由星星在一生中形成的元素和爆炸时合成的元素构成的各种各样的元素被散布到宇宙空间中。 以前认为磷也会被这颗超新星合成并释放出来。 也就是说，一直以来，我们体内的磷都来自超新星。 但是，我们也知道，用这个“磷超新星起源说”无法解释观测事实。 我们可以通过从星星的分光观测到化学组成的测量，了解银河系(银河系)中磷的存在量(气体中的磷含量)从古至今是如何变化的。 星星上从非常古老的超过100亿岁的东西到刚出生的年轻星星都存在。 这些星星的化学组成告诉我们这些星星诞生时银河中各种元素的存在量。 也就是说，通过测量许多不同年龄星球的磷含量，可以知道在银河系100多亿年的历史中，磷的量是如何变化的，也就是说——磷的化学进化。 像这样通过观测明确了的磷的化学进化，用超新星起源说完全无法解释。 超新星预测的磷合成量完全不足观测所期待的量。 人们普遍认为，其原因可能是超新星的元素合成理论模型的某种问题，因此，解决这一问题的努力被搁置了多年。 在这种情况下，西澳大利亚大学和国立天文台的国际共同研究小组预测，除了超新星以外，可能还有其他合成磷的天体，然后继续进行研究。 并查明了这个天体是“新星”。图2 :表示银河系中磷对铁的比率历时120亿年进化的观测结果，以及为解释该结果而此次阐明的理论方案。 磷进化的历史可以大致分为3个时代。 观测数据显示出各个星球中铁的量和磷铁比的相关。 蓝色数据是通过近紫外线观测获得的，不是从地面观测，而是从宇宙观测-哈勃太空望远镜获得的。 另一方面，红色数据是通过地面近红外线观测得到的，但由于磷的吸收线非常弱，观测目标仅限于金属量高的星球。 由于超新星比新星更早开始贡献化学进化，所以初期的磷全部来自超新星。 另外，新星的发生频率依赖于金属量，有越少发生频率越高的倾向。 Ia型超新星是与重星爆炸的超新星不同种类的超新星，会释放出很多铁，但不会合成磷。 因为爆炸需要时间，所以无助于银河形成初期，促进80亿年前以后的化学进化。 (转载自Bekki & Tsujimoto 2024。 ） 新星是指突然星星看起来明亮闪耀的现象。 这是一种爆炸现象，来自伴星的气体降落在行星系的白矮星表面，达到一定的临界量时会发生核反应失控。 新星现象在同一个白矮星中多次发生，从观测上来看也作为回归新星为人所知。 白矮星是宇宙中存在的许多星星的终结之姿，太阳在数十亿年后也会变成白矮星，失去现在这样的光辉。 只是，由于太阳不在银河系，将来不会发生新星爆炸。 这次备受瞩目的是作为白矮星为太阳7.8倍的星球，起源于最重星球的“重白矮星”。 这种重——平均质量约为太阳质量的0.6倍——白矮星由氧、氖、镁组成，由此产生的新星通常被称为“氧氖新星”。 到目前为止，作为新星提供元素的场所，除了锂这种元素之外几乎没有受到关注。 这是因为新星制作的元素量与星星整体爆炸的超新星等相比压倒性地少。 但是，在本研究中，我们发现在氧氖新星中，磷与其他元素不同，制造得多得惊人。 而且，如果将同一氧氖白矮星中新星爆炸在10亿年以上的时间内多次反复发生计算在内的话，就会发现其最终的合成量大大超过超新星。 图2描绘了此次首次明确的从银河系诞生时到现在长达120亿年的磷比率进化的剧本。 首先，根据最初的氧氖新星开始提供磷之前产生的星星的磷含量的观测结果，发现到目前为止超新星只能制造少量磷的理论计算是正确的。 此外，研究人员还发现，在距今约80亿年前的宇宙中，来自重新星的磷逐渐蓄积，其结果显示，磷相对于其他元素(铁等)的比率最高。 之后，随着时间的推移，产生较重新星的频率逐渐降低，同时其他元素也由其他超新星合成，由此可以认为银河内磷的比率逐渐减少。 因此，在太阳系诞生之前的46亿年，当时的银河中，磷的生产效率比现在高，存在得更丰富。 也许可以说地球诞生46亿年前的宇宙是容易产生生命的环境。图3 :理论模型与观测数据的比较。 可以看出，此次新提出的“新星模型”能够很好地解释观测，但以往的“超新星模型”与观测数据不一致。 观测数据的较大方差被认为反映了来自较重新星的气体释放量的差异。 (转载自Bekki & Tsujimoto 2024。 超新星模型摘自Cescutti et al. 2012，Astronomy and Astrophysics 540，A33。 ） 图3显示了根据本研究提出的“磷新星起源说”计算出的模型结果。 虽然从观测上知道新星在各次爆炸中放出的气体量有偏差，但是通过将其导入模型中，可以很好地解释观测数据中看到的较大的方差。 另一方面，也可以看出，以往的超新星模型无法说明观测数据的倾向。 另外，这次的模型的正当性的验证将来是可能的。 在重新星中，我们发现在磷的同时，也会大量合成“氯”。 因此，可以预言银河系中氯的演化应该会经历与磷同样的演化。 另一方面，目前对星星的氯的观测由于存在很大的困难，所以只在少数星星上进行，不知道氯的进化路线。 我们计划通过对很多星星的观测来明确氯的含量。 如果磷像之前的定论一样只由超新星制造出来的话，这个宇宙可能就不会有生命了。 与星星大爆炸这一华丽的超新星相比，本研究表明，星星表面的小爆炸这一看起来不华丽、朴素的天体现象，有可能是给宇宙带来生命的重要事件。 地球上生命是如何诞生的仍然充满着谜团。 基于主流思想，第一个生命诞生于大约38亿年前，它是由磷等生命必需的元素在地球上凝结而成的。 人们认为，这些生命起源的化学物质是陨石和宇宙尘埃以比现在多得多的频率在地球诞生期数亿年间降落到地球上造成的。 可以认为，这些太阳系原始物质中含有大量来自重新星的磷，导致了地球上的生命诞生。 本研究主张了新星对宇宙生物学(星形生物学)的作用的重要性。 论文信息 该研究成果刊登在美国天体物理学杂志《天体物理学周刊》在线版上，日期为2024年5月10日( Bekki，K. & Tsujimoto，t .“phosphorous enrichment by onto”) DOI: 10.3847/2041-8213/ad3fb6 研究资助 本研究是在JSPS科研费(课题编号: JP18H01258、JP19H05811、JP23H00132 )的资助下进行的。 版权所有2021-jasmine project，NAOJ. All Rights Reserved .