明治大学理工学部物理学科の佐藤寿紀専任講師、京都大学理学研究科の松永海博士後期課程学生、内田裕之助教らの研究グループは、X線分光撮像衛星「XRISM」（クリズム）に搭載された高分解能分光装置「Resolve」（リゾルブ）を用いて超新星残骸「カシオペア座A」を詳しく観測したところ、太陽質量の10倍以上の巨大恒星内部で塩素とカリウムが大量に合成されていた証拠を明らかにした。
酸素や炭素、生命活動に欠かせない塩素やカリウムといった元素は、星々の内部で核融合によって生み出され、星の爆発（超新星爆発）によって宇宙空間に撒き散らされることで、次の世代の星や惑星、生命の材料となる。しかし塩素やカリウムといった「奇数番元素」は、理論計算では星の内部でほとんど作られないため、「生命維持に不可欠なこれらの元素が、なぜ宇宙で不足していないのか」という問いは天文学における未解決問題のひとつだった。
明治大学が開発に携わった高分解能分光装置「Resolve」は従来の検出器よりも一桁優れたエネルギー分解能でX線を観測できる。そのため「Resolve」により、偶数番元素に比べて存在量が少なく従来困難だった奇数番元素である塩素やカリウムの検出が、史上初めて可能となった。
研究グループがこれを用いて「カシオペア座A」の精密観測を行ったところ、これまで見えなかった塩素とカリウムのX線放射線を明確に確認した。特にカリウムは有意度6σを超える高い信頼性で検出され、X線天文学史上初の確実な発見となった。しかもその量は通常の理論計算よりはるかに多かった。
この観測結果を理論モデルと比較したところ、恒星の自転・連星相互作用・核燃焼層の合体などによる内部の激しい運動が、これらの元素を通常より効率的に生成した観測的証拠が得られた。また、元素の分布が酸素豊富な領域に集中していることから、これらの元素は超新星爆発時ではなく、爆発前の恒星内部で形成された可能性が高いことも明らかとなった。
本研究は、爆発前の巨大星内部で大量生産された塩素・カリウムが超新星爆発を通じて宇宙に供給されたことを明らかにし、初めて「星がどのようにして生命や地球に必要な元素を宇宙に送り出したか」を具体的に示した。
研究グループは今後、他の超新星残骸でも同様の元素分布を観測し、今回のような生命の材料のみならず、宇宙の様々な元素がどのようにして宇宙に供給されているかを調べていくとしている。
論文情報：【Nature Astronomy】Chlorine and Potassium Enrichment in the Cassiopeia A Supernova Remnant
