彗星は何故「重い窒素」を含むのか―筑波大学による数学的解析

2018年5月6日 10:12

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分子雲において窒素同位体の存在比異常を引き起こす機構。(画像:筑波大学発表資料より)

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 窒素は全宇宙において上から5番目に多い元素である。通常の窒素は質量数が14だ。ただし、440個に一つの割合で、15の質量数を持つ窒素が存在する。太陽系の物質のほとんどはこの割合に従うのだが、何故か、彗星や隕石にはこの15の質量数の「重い窒素」がより高い比率で含まれている。含まれているのは事実として明らかなのだが、それは一体なぜなのか。その謎に、筑波大学は数学的なアプローチによって迫った。

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 発表に名を連ねているのは、筑波大学計算科学研究センターの古家健次助教、東京大学大学院理学系研究科の相川祐理教授である。

 われわれの太陽系は46億年ほど昔に分子雲から生まれたと考えられているわけだが、彗星や隕石は、その原初の太陽系の情報を現在に留める存在である。これを「太陽系始原物質」という。なぜ、彗星は重い窒素を多く含んでいるのか。

 今回の研究では、希薄な星間ガスから分子雲が形成される過程をシミュレートし、窒素同位体を含む化学反応ネットワークモデルとして、数値計算を行った。結果として判明したことには、紫外線に対する窒素分子の自己遮蔽効果と、星間塵の表面におけるアンモニア(NH3)の氷の生成によって、分子雲の段階ではガスに含まれる窒素15が少なく、氷を含む固体においては窒素15が多くなることが分かった。

 つまり、この状態が太陽系始原物質においては維持されているがために、彗星は窒素15が多いのである。なお、通常の太陽系構成物質は、氷の昇華によって窒素15と14の比率が440対1の状態で安定しているわけだ。

 なお、この研究は、2018年5月20日付の「The Astrophysical Journal」誌で先行公開されている。論文タイトルはDepletion of heavy nitrogen in the cold gas of star-forming regions(星形成領域の冷たいガス中における重い窒素の枯渇)である。(藤沢文太)

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