宇宙で元素がつくられるまで

始まったばかりの宇宙は、超高温のカオス状態でした。それからの約３分間で、クォークが現れ、３人家族を構成して、元素の材料となる陽子や中性子がつくられていきました。

３分後、宇宙の温度が下がり、また、陽子と中性子の数が安定してきたときに、宇宙で最初の元素合成が始まります。このようなビッグバンの直後に起こった元素合成を「ビッグバン元素合成」といいます。

『宇宙人と出会う前に読む本 全宇宙で共通の教養を身につけよう』（著：高水裕一／講談社）
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ときどき、元素合成は宇宙最初の３分間で起こったとして、神様がつくったカップラーメンにたとえられることがありますが、正確には３分後から20分後までの約17分間といわれており、パスタをゆでる時間に近いイメージです。

ビッグバン開始直後は陽子と中性子は同数でしたが、中性子にはすぐに崩壊してしまうという性質があり、最終的には陽子と中性子の比率は７：１に落ち着きます。

この比率がカギとなり、ビッグバン元素合成後の元素の最終的な比率が決まりました。元素合成の期間が15分程度しか続かないのも、中性子の崩壊する時間が短いことに関係しています。

現在の宇宙に比べれば無にもひとしい大きさの初期宇宙から、無にもひとしいほどの時間で、原子番号１番の水素と、原子番号２番のヘリウムが一気につくられました。ヘリウムは陽子２個と中性子２個からできるので、できる量は陽子より少ない中性子の量で決まります。計算すると、最初の元素全体のなかで水素とヘリウムの質量比は3：1であることがわかります。

このあと見ていくように、ビッグバン元素合成のあとも元素はつくられます。水素とヘリウムの量も変化しますが、基本的にはこのときの比率が圧倒的であり、そのまま保たれていくのです。