貴金属に富んだ星々は100億歳—世界最高解像度の天の川銀河シミュレーションに成功 – 国立天文台

金やプラチナなどの貴金属が、銀河の進化の歴史を教えてくれるかもしれません。国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイII」による世界最高解像度の天の川銀河の形成シミュレーションから、貴金属に富んだ星のルーツが明らかになってきました。

私たちの生活に欠かせない金やプラチナなどの貴金属の元素は、星の進化の過程で作られます。これらの元素は星が一生を終える際に星間空間にまき散らされ、それを材料に再び新しい星が作られます。つまり、星の中に含まれている元素は、銀河の中で起こった星の死や誕生の歴史を刻んでいるのです。国立天文台のすばる望遠鏡に搭載された高分散分光器HDSなどを用いた観測から、私たちの天の川銀河には貴金属に富んだ星が数多く存在していることが、これまでに分かってきました。しかし、このような星が、天の川銀河の中のどこで、いつ、どのように誕生したのかは、大きな謎とされてきました。

東北大学の平居悠（ひらい ゆたか）研究員を中心とする国際研究チームは、アテルイIIを用いた大規模なシミュレーションで仮想的な天の川銀河を作り出し、貴金属に富んだ星がたどってきた歴史の解明に挑みました。これは、従来の研究よりも空間解像度、時間分解能ともに向上させた、世界最高解像度の銀河形成シミュレーションです。さらに、貴金属を作り出す現象として、中性子星と呼ばれる高密度天体同士の衝突も取り入れました。

このシミュレーションの結果、貴金属に富んだ星は今から100億年以上も前に、小さな銀河の中で誕生したことが明らかになりました。このような銀河は、天の川銀河の材料となった「超低光度矮小（わいしょう）銀河」と呼ばれるたいへん小さな銀河です。こういった小さな銀河の中で起こる星の形成や進化を再現することは、これまでのシミュレーションでは不可能でしたが、本研究の高精度のシミュレーションによって初めて解明することができました。小さな銀河ではガスの量が少ないために、貴金属の元素が合成されるような現象がひとたび起こると、銀河全体で貴金属の元素の割合が高くなります。このような環境で新たに星が作られると、その星に引き継がれる貴金属の元素の量も多くなるのです。

さらに、すばる望遠鏡などによる観測結果を本研究のシミュレーションと比較したところ、星に含まれる貴金属の量がたいへんよく一致しました。この結果は、天の川銀河に見られる貴金属に富む星の多くは100億歳以上の年齢を持ち、宇宙初期における天の川銀河の形成史を今に伝える星々であることを意味しています。今後、すばる望遠鏡などを用いた観測をさらに進めることで、貴金属に富んだ星を指標として、100億年以上前の天の川銀河の形成史をたどることが可能になると期待されます。

本研究は、Hirai et al. “Origin of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy”として、英国の王立天文学会誌に2022年11月14日付で掲載されました。