宇宙でいちばん多い元素は何か、元素の割合と星のかまど

宇宙の原子を1万個つかみ取ったとします（太陽の成分をものさしにした計算です）。そのうち約9200個は水素、約780個はヘリウムです。私たちの体や地球をつくる酸素・炭素・鉄などは、全部合わせても10個ほどしかありません。この割合は、太陽の光をくわしく調べて測られています。

01 わかっていること宇宙でいちばん多い元素は何？

宇宙でいちばん多い元素は水素です。太陽の表面の割合で数えると、原子の数で水素が約92%、ヘリウムが約8%で、残りのすべての元素を合わせても0.1%ほどです。重さで比べると、水素が約74%、ヘリウムが約25%です。

宇宙の元素の割合の「ものさし」には、太陽の光で測った値が使われます[1]。光の中に、元素ごとの「指紋」（決まった色の暗い線）が残っているからです。Asplundらの2009年のまとめでは、太陽の表面の重さの割合は水素73.8%、ヘリウム24.9%、それ以外1.3%でした[1]。

2021年の見直しでも、水素74.4%、ヘリウム24.2%、それ以外1.4%と、ほぼ同じ結果です[2]。この割合は、太陽の近くの星や、生まれたままに近い隕石の成分ともよく合います[1]。

水素とヘリウムのほとんどは、ビッグバンの直後の数分間にできました[3]。ヘリウムより重い元素は、星の一生と星の最期の中で作られてきました[5]。

02 どうやってわかったのか元素の割合はどうやって測ったの？

太陽の光を色ごとに分け、元素が残す暗い線の濃さから量を計算しました。ビッグバンでできた量は計算と古いガス雲の観測で、星の中でできる仕組みは原子核の実験と計算で確かめられています。

03 数字と例えでいうと原子1万個のうち、何がいくつ？

太陽の表面の原子を1万個取り出すと、水素が約9207個、ヘリウムが約784個です。3位の酸素は約5個、4位の炭素は約3個で、鉄は1個にも届きません。

Asplundら（2009年）の表にある太陽の表面の値（水素の原子1兆個あたりの数を対数で表したもの）から、SEADICEが原子の数と重さの割合に直しました[1]。ヘリウムとネオンは太陽の表面の光では直接測りにくく、別の方法で決めた値です。ケイ素と鉄はほぼ同じ数で、順位は入れ替わることがあります。

太陽ができたとき（約46億年前）の割合は、表面の値とは少し違います。重い元素が長い時間をかけて太陽の内側へ沈んだためで、Asplundらは表面とは別に、太陽全体の値（水素71.5%、ヘリウム27.0%、それ以外1.4%）も示しています[1]。

04 まだわかっていないこと元素の割合で、まだ合わないことは？

太陽の光で測った元素の割合と、太陽の内部のゆれの観測が合わない問題が、2021年の見直しでも残っています。金やプラチナがおもにどこで作られたかや、リチウムの量のずれも決着していません。

• 太陽の光と、太陽の内部の観測が合わない太陽の表面のゆれ（日震）から内部の様子を調べると、炭素や酸素が少ないという測り方では、内部の音の伝わり方が計算と合いません[1]。2021年の見直しでも食い違いは残り、計算に使う光の通りにくさや、内部のガスのまざり方の扱いに足りない点があるのではないかとされています[2]。
• 金やプラチナのおもな作り手中性子星どうしの合体が主な作り手だとする研究と[7]、速く回る重い星がつぶれる特別な超新星が80%以上を作った可能性を示す研究があり[8]、決着していません。
• リチウムの量が合わない古い星で見つかるリチウムは、ビッグバンの計算の3〜4分の1ほどしかありません[3]。星の中で減ったのか、計算の前提に足りないものがあるのか、わかっていません。
• 元素でできていない95%は何か宇宙の約95%を占めるダークマターとダークエネルギーの正体は、まだわかっていません[6]。

05関連する記事

06よくある質問

宇宙でいちばん多い元素は何？

水素です。太陽の表面の割合で数えると、原子の数で約92%、重さで約74%が水素です。2番目はヘリウムで、原子の数で約8%、重さで約25%です。どちらも大部分がビッグバンの直後にできました。

水素とヘリウムの次に多い元素は？

3番目は酸素、4番目は炭素です。太陽の表面の原子1万個のうち、酸素は約4.5個、炭素は約2.5個です。どちらも星の中の核融合で作られ、星の最期に宇宙へまかれました。

宇宙の元素の割合はどうやって調べるの？

おもに太陽の光で調べます。光を色ごとに分けると、元素ごとに決まった色に暗い線が現れ、その濃さから量を計算できます。結果は、生まれたままに近い隕石の成分ともよく合っています。

宇宙はすべて元素でできているの？

いいえ。人工衛星Planckの観測から、元素でできた普通の物質は宇宙全体の約5%と計算されています。残りはダークマターとダークエネルギーで、正体はまだわかっていません。

鉄より重い元素はどこでできたの？

金やプラチナのような重い元素は、中性子をたくさん取り込む反応でできます。中性子星どうしの合体が主な作り手だという研究と、特別な超新星が主だという研究があり、まだ決着していません。

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