ケイ素燃焼過程

ケイ素燃焼過程：大質量星の終末を彩る核融合

ケイ素燃焼過程は、太陽の8倍から11倍以上の質量を持つ大質量星でのみ発生する、核融合反応の最終段階です。この過程は非常に短く、わずか2週間程度で完了します。恒星がその長い生涯を終える直前、ヘルツシュプルング・ラッセル図における主系列星としての段階を終える時に起こります。

ケイ素燃焼の条件

ケイ素燃焼が始まるには、恒星の中心核の温度が27億から35億ケルビンに達する必要があります。この温度は、恒星の質量によってわずかに変動します。ケイ素燃焼が完了した星は、その中心核が重力崩壊を起こし、II型超新星爆発として壮絶な最期を迎えます。

アルファ反応による元素合成

質量が太陽の3倍以下の恒星は、水素をヘリウムに変換する段階で核燃料を使い果たします。太陽の3倍から8倍程度の質量を持つ星は、ヘリウムを燃焼させて炭素を生成できますが、最終的には炭素の核を残して一生を終えます。一方、太陽の8倍から11倍以上の質量を持つ大質量星は、その強力な重力によって炭素も燃焼させることができます。恒星の中心核が収縮すると温度が上昇し、以下の反応が段階的に起こります。


炭素燃焼：
¹²C + ⁴He → ¹⁶O
¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne
²⁰Ne + ⁴He → ²⁴Mg

これらの反応を経て、恒星の中心核にはネオン、酸素、マグネシウムが生成されます。これらの元素もさらに燃焼し、最終的にはケイ素が生成されるに至ります。

マグネシウム燃焼：
²⁴Mg + ⁴He → ²⁸Si

マグネシウムが燃焼し尽くされると、恒星の中心核はさらに収縮し、温度が上昇します。そして、ケイ素燃焼が始まる温度、27億から35億ケルビンに達します。ケイ素燃焼は、アルファ反応によりヘリウム原子核を捕獲することで進み、より重い元素が次々と生成されます。

ケイ素燃焼：
²⁸Si + ⁴He → ³²S
³²S + ⁴He → ³⁶Ar
³⁶Ar + ⁴He → ⁴⁰Ca
⁴⁰Ca + ⁴He → ⁴⁴Ti
⁴⁴Ti + ⁴He → ⁴⁸Cr
⁴⁸Cr + ⁴He → ⁵²Fe
⁵²Fe + ⁴He → ⁵⁶Ni

この一連のケイ素燃焼プロセスは、わずか1日程度で完了します。最終的にニッケル56が生成され、このプロセスは終了します。生成されたニッケル56は不安定な核種であり、半減期6.02日でコバルト56に崩壊し、さらに半減期77.3日で安定した鉄56に崩壊します。ただし、大質量星の内部では、この崩壊は非常に短い時間で進行します。

結合エネルギーと元素合成の限界

アルファ反応による元素合成において、56個の核子を持つ原子核は最も結合エネルギーが高く、核子あたりの質量が最小になります。これは、これ以上の質量をエネルギーに変換することができないことを意味します。鉄56はわずかに結合エネルギーが低いものの、アルファ反応の次のステップである亜鉛60は結合エネルギーがさらに高くなるため、事実上、エネルギーは使い果たされた状態となります。恒星はこの時点でエネルギーを生成することができなくなり、中心核は収縮を始めます。

重力崩壊と超新星爆発

核燃料を使い果たした恒星は、数分のうちに収縮を開始します。中心核の温度と圧力は上昇し続けますが、新たなエネルギー源がないため、収縮は急速に加速します。そして、わずか数秒で重力崩壊が発生し、大規模な超新星爆発が引き起こされます。この爆発によって、恒星内部で生成された重元素が宇宙空間に拡散されます。

結合エネルギーの図解

原子核の結合エネルギーは、核から核子を取り除くために必要なエネルギー、あるいは核に核子を加えたときに放出されるエネルギーとして解釈できます。水素のような軽元素は、核融合によって結合エネルギーが大きく上昇し、多くのエネルギーを放出します。一方、ウランのような重元素は、核分裂によってエネルギーを放出します。

恒星内部では、ヘリウム原子核（アルファ粒子）が次々と付加され、重い元素が生成されます。しかし、ニッケル56（14個のα粒子）にヘリウムを融合させて亜鉛60（15個のα粒子）を合成する過程は吸熱反応になるため、ニッケル56が恒星の核で生成される最終生成物となります。鉄隕石や惑星のコアに鉄56が多く含まれているのは、生成されたニッケル56が崩壊して鉄56を生成するためです。

出典

Stellar Evolution: The Life and Death of Our Luminous Neighbors, by Arthur Holland and Mark Williams of the University of Michigan
The Evolution and Death of Stars, by Ian Short
Star, by World Book @ NASA
Origin of Heavy Elements, by Tufts University
* Chapter 21: Stellar Explosions, by G. Hermann

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