今輝いている星も、遠い未来には姿を変える
宇宙の未来を考えると、星が長く輝き、銀河の姿が変わり、やがて星の残骸が増えていくという流れを描ける。太陽のような星が一生を終えた後にも、はるかに長く輝く星が残る。新しい星を作るガスが減ると、星が生まれることも次第にまれになると予想される。
天文学者は、年齢や質量の異なる星、星が盛んに生まれる銀河、古い星の多い銀河を観測する。その性質を物理法則に基づく計算と比べることで、時間とともに天体がどう変わるかを調べられる。この計算を現在よりはるかに遠い時代まで進めて、未来を推定する。
太陽は大きく膨らんだ後、小さな残骸を残す
現在の太陽は、中心で水素の原子核が結びついてヘリウムの原子核になる核融合によって輝いている。中心でこの状態を維持する水素が減ると、星の内部構造も変わる。恒星進化のモデルでは、太陽は今後約50億年間、中心の水素核融合を続けた後、外層が大きく膨らむ赤色巨星の段階へ向かうと予測される。
大きくなった太陽は、周りの惑星の環境を大きく変える。太陽の光がどれほど強くなるか、外層がどこまで膨らむかによって、惑星が受ける熱も変わる。地球が生物にとって住みにくい環境になる時期と、地球が最終的に太陽の中に入るかどうかは、分けて考えるべき問題である。
その後、太陽は外側の物質を宇宙へ放出し、小さく熱い中心部を残すと予想される。これが白色矮星である。この残骸も、残った熱を放ちながら長く輝く。約50億年という値は、今から中心の水素核融合を維持する時間を指し、太陽が白色矮星になる日や光をすべて失う日を意味しない。
小さく暗い星は、太陽よりはるかに長く輝く
太陽が白色矮星になった後も、ほかの星は輝き続けることができる。星の寿命は、持っている水素の量だけでなく、それをどれほど速く使うかにも左右される。太陽より質量の小さい赤色矮星は、少ないエネルギーをゆっくり放つため、燃料が少なくても長く輝くことができる。
特に質量が非常に小さい星では、温まった物質が上がり、冷えた物質が下がることで、内部が広い範囲で混ざる。この動きを対流という。外側の水素も中心へ運ばれるので、星の中の水素をより広く利用できる。質量の小さい星のモデルには、寿命が数兆年に達すると予測するものもある。
1兆年は1万億年である。現在の宇宙の年齢である約138億年より、はるかに長い時間だ。これほど長く生きる星が、誕生から一生の終わりまで進む姿をまだ観測できない理由もここにある。
質量が非常に小さい赤色矮星は、長い時間をかけて内部の水素がヘリウムに変わった後、表面がより熱くなる経路をたどる場合がある。これを理論上の青色矮星段階と呼ぶ。まだ観測されていない未来の姿であり、すべての赤色矮星が同じ経路をたどるとは限らない。
銀河では、新しい星を作るガスが減っていく
ハッブル望遠鏡とALMA望遠鏡は、新しい星をほとんど作らない遠方の銀河で、冷たいガスが不足している証拠を見つけた。これは未来の銀河を撮った写真ではないが、星の誕生に必要な材料と環境を調べる手がかりになる。
星の誕生には、冷たいガスが一か所に集まれる環境が必要だ。ガスの一部は星の中に入り、長い間そこにとどまり、星が一生を終えた後も残骸に残る。星が放つ光や物質の流れによって、一部のガスが熱くなったり銀河の外へ押し出されたりして、再び集まりにくくなることもある。
星は一生の間に、物質の一部を宇宙へ返す。それが再び冷えて集まれば、新しい星の材料になり得る。しかし、もとのガスが毎回すべて戻ってくるわけではない。宇宙が十分長く膨張を続けるとする長期モデルでは、新しい星の誕生がまれになり、長生きする星や残骸の割合が増えると予測する。
どの銀河も同じように変わるわけではない。銀河が近くを通り過ぎたり合体したりすると、ガスが圧縮され、しばらく新しい星がより盛んに作られることもある。そのため、すべての銀河で星の誕生が同じ日に止まるという予定表は作れない。
天の川銀河とアンドロメダ銀河がいつ合体するかも確定していない。銀河の動きの測定値や、周囲の銀河の重力をどう取り入れるかによって、計算結果は変わる。2025年の研究と2026年の追跡研究も、異なる合体確率を示している。この出来事を、未来のある日に必ず起こるものとして表示しない理由である。
残された白色矮星は、とても長い時間をかけて冷える
星の死を経ても、すべての天体が消えるわけではない。白色矮星、中性子星、ブラックホールのような残骸が残ることがある。白色矮星は、中心の核融合でエネルギーを得ていた星の時期を終えた後、蓄えた熱を放出しながら次第に暗くなる。
この冷却を非常に遠い未来まで延ばして考えると、ほとんど光を放たない白色矮星を予想できる。この理論上の状態を黒色矮星と呼ぶ。現在の宇宙は、白色矮星がそこまで冷えるほど古くないと考えられており、黒色矮星が見つかった例もない。
ほとんど光を放たないという表現は、正確に絶対零度に達するという意味ではない。物質の内部変化や、周囲から受け取るエネルギーも冷却に影響する。このため、黒色矮星になるまでの時間を一つの正確な数値で決めるのは難しい。
遠い未来ほど、まだ分からない条件が重要になる
太陽が巨星を経て残骸を残すという予測は、多くの星の観測と恒星進化理論に照らして確かめる。数兆年後の星や、それより長く冷えた残骸を考えるときは、現在確かめられている物理が、はるかに長い時間にわたってどう働くかを検討する必要がある。どちらも計算に基づくが、直接観測と比較できる範囲には違いがある。
宇宙全体の膨張が今後どう変わるかも、重要な条件である。膨張が加速する現象を説明するために導入されたダークエネルギーの性質は、まだ解明されていない。物質を作る粒子が永遠に安定なのかという問題も、非常に遠い未来の残骸を計算する際に影響し得る。
したがって、この記事の各場面は、確定した未来の写真でも、等間隔の年表でもない。現在観測された天体を出発点として、どのような変化が予測され、どの条件をさらに調べる必要があるかを示す説明用モデルである。星や銀河の変化を越えて、宇宙全体がどのような最後の状態に至るかは、別の問いとして残る。