天文学の時間測定に関わる「タリウム205」の珍しい崩壊を初観測 猛毒の扱いを工夫し40年越しに成功
寿命末期の恒星から宇宙空間に放出された物質である「分子雲」は、太陽のような新たな恒星の原料物質となります。分子雲が形成された後、太陽として集合するまで宇宙空間を漂っていた時間は数千万年であったと言われています。これはいくつかの種類の原子核（同位体）の量を分析することによって導き出されましたが、最も正確に計算するには「鉛205」と呼ばれる原子核の量を測る必要があります。正確な量の測定のためには、普段は安定しているものの、電子を全て剥がして原子核が剥き出しになった時のみ生じる「タリウム205」の「束縛状態β（ベータ）崩壊（Bound-state β decay）」を観察する必要があります。 タリウムの毒性の強さから、タリウム205の観察実験は数十年間実行できていませんでしたが、ブリティッシュコロンビア大学のGuy Leckenby氏を筆頭とする国際研究チームは、実験方法を工夫することによって、タリウム205の束縛状態β崩壊を観察することに初めて成功しました。今回の実験での測定結果により、分子雲が形成された後、凝集して太陽になるまでの時間は推定1000万～2000万年となり、他の原子核による推定値の範囲内であることがわかりました。
太陽形成の年代推定に関わる「タリウム205」の「束縛状態β崩壊」
寿命を迎えたり、もうまもなく迎える恒星は、大量の塵やガスを宇宙空間へと放出します。このようにして形成される「分子雲」は、重力で1点に寄り集まると、新たな恒星を形成します。太陽系の中心にある太陽も、このようにして形成されたと考えられています。では、分子雲が形成された後、太陽になるまでの時間、言い換えれば宇宙空間で変化せずに漂っていた時間はどのくらいになるのでしょうか？ この時間は、「AGB（漸近巨星分枝）」と呼ばれる段階に達した恒星の内部で形成される、重い原子核の存在量によって測ることができます（※AGB星内部での核反応の詳細は記事末尾を参照）。これまでに測定された時間は900万～2600万年ですが、より正確な絞り込みには、原始的な隕石などに含まれる「タリウム205」原子核の存在がカギとなります。 タリウム205は、「鉛205」と呼ばれる別の原子核（半減期1700万年）の崩壊（電子捕獲）によって生成します。原始的な隕石などの太陽系の初期情報を持つ物質を分析し、タリウム205の存在量を測れば、間接的に分子雲に含まれていた鉛205の量を知ることができます。そして鉛205はAGB星内部でしか大量に生成しないと考えられているため、鉛205の量はAGB星内部から分子雲へどのくらいの物質がどのくらいの時間をかけて供給されたかを知る手掛かりとなります。つまり鉛205は、分子雲から太陽が形成されるまでの時間を絞り込むための重要なピースです。そしてその鉛205の量を知るための唯一の手掛かりは、タリウム205の存在量です。 ただし、タリウム205を通じて、鉛205の存在量は簡単に測ることができないということは数十年前から指摘されてきました。その理由の1つは、タリウム205が「束縛状態β崩壊」と呼ばれる珍しい崩壊をする可能性があるためです。タリウム205は通常の環境では崩壊せず安定してますが、電子を全て剥がして裸の原子核にすると、鉛205へと崩壊する非常に珍しい性質を示すと考えられています。束縛状態β崩壊は珍しく、これまでに実証されたのは2例しかありません（※束縛状態β崩壊の詳細は記事末尾を参照）。 タリウム205原子核を囲む81個の電子を全て剥がすには、自然界では数億℃もの高温が必要です。もちろん分子雲の中や太陽系の形成時にこれほどの高温は生じませんが、鉛205が形成されるAGBの内部では容易に達成される温度です。また、タリウム205の束縛状態β崩壊で生じる鉛205はエネルギー状態が高く（励起状態）、再度タリウム205に崩壊する可能性があります。鉛205とタリウム205の双方向の崩壊がどのようなバランスをとるかは、その環境によって大きく左右されます（※1）。タリウム205の量から鉛205の発生量を知ろうにも、肝心のタリウム205が鉛205へと逆戻りする可能性があるという指摘は、年代推定に大きな影響を与えます。 ※1…これは、数億℃という高温環境における鉛205の半減期の短縮も含みます。
