元素合成
元素合成(げんそごうせい、Nucleosynthesis)とは、核子(陽子と中性子)から新たに原子核を合成する事象である。原子核合成、核種合成とも。
例えば、水素と重水素を非常に強い力によってぶつけると、その二つの元素が合成されてヘリウムが作られる。
ビッグバン理論によれば、核子はビッグバン後宇宙の温度が約200MeV(約2兆K)まで冷えたところで、クォークグルーオンプラズマから生成された。数分後、陽子と中性子からはじまり、リチウム7とベリリウム7までの原子核が生成されるが、リチウム7やベリリウム7は崩壊し、宇宙に多く貯蔵されるには至らない。ヘリウムより重い元素の合成は概ね恒星での核融合や核分裂により生じる。また、鉄より重い元素はほとんどが超新星爆発の圧力によってのみ生成される。
今日、地球上の自然界を構成する多くの元素はこれらの元素合成を通して作られたものである。
恒星内部で核融合反応が起こり、ヘリウム4から鉄56までの原子核が作られる。
まず水素が燃焼(核融合)してヘリウム4が生成されるが、これには陽子-陽子連鎖反応とCNOサイクルの二通りの反応経路がありうる。前者は太陽のような質量の小さな恒星や、炭素などの重元素に乏しい恒星で起きる。後者は炭素・窒素・酸素の原子核を触媒とする速い反応で、触媒元素の豊富にある大質量星で主に起きる。
ヘリウム4が2つ集まるとベリリウム8が合成されるが、これは不安定であり、すぐに崩壊してしまう。しかしながら、恒星内部にヘリウム4が蓄積され、十分大きな密度と温度になると、ベリリウム8が崩壊するまでのわずかな間にヘリウム4が融合して炭素12が合成される(トリプルアルファ反応)。この炭素12は安定である。炭素12とヘリウム4の融合は酸素16を、酸素16同士の融合はケイ素28とヘリウム4を合成する。このように炭素12の合成により、その後の核反応プロセスが続いていくことが可能になる。恒星の内部ではこれ以外にも幾つかの過程を経て鉄56までの軽い核種が出来る。鉄56とケイ素28は全核種の中で最も安定な核種であり、恒星の内部ではこれ以上に重い核種は合成されない。