星の最期は質量と進化の過程によって変わる
星の死とは、核融合によって輝く長い時期を経た星が、小さな残骸を残したり、物質を宇宙へ放出したりする、進化の最後の過程を指す。太陽のような星は白色矮星を残すと予測され、はるかに質量の大きい星では中性子星やブラックホールができることがある。どのような最期を迎えるかは、星の質量と、それまでに経験した変化に左右される。
ここでいう質量は、星を構成する物質の量である。見た目の大きさを表す半径とは区別する。星が大きく膨らんだからといって、その分だけ物質が増えたわけではなく、膨らむ間に外側の物質を失うこともある。
核融合が星の内部の熱と光を維持する
太陽の中心では、軽い原子核が結び付く核融合が起きている。水素の原子核がヘリウムの原子核に変わる過程で放出されるエネルギーは、内部を高温に保ち、やがて光として宇宙へ出ていく。星が中心で水素の核融合を続ける長い時期を、主系列段階という。
星の物質は重力によって内側へ引かれる。一方、高温の気体と光は圧力を生み、星の内側ほど高い圧力が外向きの力を生む。主系列の星は、この二つの効果がほぼつり合うことで形を保つ。
中心で使える水素が減ると、エネルギーを生み出す仕組みと星の構造が変わる。中心の水素が尽きた後も、その外側の層で水素が反応したり、さらに高温になった中心でヘリウムが反応したりすることがある。その後の燃料や核反応は、星の質量と進化の段階によって異なる。
太陽のような星は外層を失い、高温の核を残す
太陽のような星は、中心の水素が尽きると内部構造が変わり、外層が大きく膨らむ巨星の段階を経る。進化の途中では、中心のヘリウムを材料に炭素や酸素が作られる。星は外側の物質を宇宙へ放出し、最後には小さく高温の中心部を露わにする。
このように残った核が白色矮星である。白色矮星は、地球に近い大きさに太陽と比べられるほどの質量が集まった、非常に密度の高い天体だ。中心の核融合による新しいエネルギーの供給が終わっても、蓄えた熱を放出しながら長く輝くことができる。太陽の未来も、この経路に属すると予測される。
太陽の未来は、さまざまな星や残骸の観測を恒星進化の理論と照らし合わせて予測する。太陽が巨星となり、白色矮星を残すまでの全過程を、すでに観測したわけではない。
質量の大きい星では中心核が崩壊することがある
太陽よりはるかに重い星は、中心温度がさらに高くなり、炭素や酸素より重い元素を作る段階を経ることがある。鉄族元素が蓄積した中心核では、さらに重い原子核へ融合する反応からエネルギーを得ることが難しい。核の質量が増え続け、内部の圧力で重力に耐えられなくなると、急激な崩壊が起こり得る。
崩壊で放出されるエネルギーの一部が外層を押し出すと、非常に明るい爆発が起きる。これを重力崩壊型超新星という。外側の物質は宇宙へ広がり、中心にははるかに小さな残骸が残ることがある。爆発の詳しい過程や残る天体の種類は、観測と計算によって研究されている。
中性子星は、原子核を構成する粒子の一つである中性子を非常に多く含む物質からなる、高密度の残骸である。最も深い内部で物質がどのような状態にあるかは、今も研究されている。残った核が十分に重く、崩壊が続く条件では、ブラックホールができることがある。ブラックホールには、その内側から外側へ光や信号を送れない境界が生じる。
残された天体の観測から異なる経路を区別する
超新星残骸であるかに星雲では、広がる物質と高速で回転する中性子星が観測されている。天文学者は残骸の光や動きを調べ、爆発前の星や爆発の過程を探る。残された天体が、星の最期についての説明と実際の観測を比較する手掛かりになる。
星の最期には、初めの質量だけでなく、失った物質の量や、近くの星との相互作用も重要である。重力で結び付き、互いの周りを回る二つの星を連星といい、近接した連星では一方の星から他方へ物質が移ることがある。連星の白色矮星が爆発的な核反応によって破壊されるIa型超新星も研究されている。この経路は、重い星の中心核が崩壊する経路とは区別される。
- 太陽のような星の代表的な経路 巨星の段階を経て外層を失い、白色矮星を残す。
- はるかに重い星の代表的な経路 中心核の崩壊後、条件によって中性子星やブラックホールが残ることがある。
この二つの経路は、大きな流れを理解するための要約である。すべての重い星が明るい超新星を経て、同じ残骸を残すわけではない。星の最期を正確に予測するには、質量以外にも多くの条件を調べる必要がある。
放出された物質は次の星や惑星の材料に混ざる
星が失った外側の物質は星と星の間のガスに混ざり、その一部は後に新しい星や惑星系に取り込まれる。そこには、星が初めから持っていた元素と、内部の核反応で作った元素の両方が含まれる。新しい元素が作られる過程と、すでにある元素が宇宙へ広がる過程は区別できる。
太陽系を作った物質にも、太陽より前に存在した天体が残した成分が含まれる。水素のように初期宇宙に由来する成分もあるため、身の回りのすべての元素を一種類の超新星の産物として説明することはできない。星が何を残したかを調べることは、次の星や惑星の材料がどこから来たのかを知ることにつながる。