星の死を観察するにはどうすればいいでしょうか?

映画「流転地球」では、太陽が赤色巨星になって地球を沈めようとしている。知っていましたか？これはまさに、太陽が晩年に経験する段階です。では、太陽がその長い寿命を終えると何が起こるのでしょうか?みなさんこんにちは。私の名前はHan Wenbiaoです。今日は星の死と科学者がそれをどのように観測するかについてお話します。

私たちに最も近い恒星である太陽の年齢は46億歳です。その寿命は約110億年で、今が最盛期です。 50億年以上経つと、太陽は中心核の水素燃料を使い果たし、赤色巨星になるだろう。 『流浪の地球』で説明されているヘリウム閃光も、その中心核で発生する可能性がある。死にゆく太陽は大きさを増し続け、地球の軌道にまで広がります。数億年あるいはそれ以上の時間が経つと、外殻は分散して美しい惑星状星雲となり、中心核には密度の高い白色矮星が残ります。

太陽について話した後は、誰もが宇宙の他の星の死について興味を持つはずです。一般的に言えば、恒星の死とは、恒星が光と熱を安定して放出しなくなり、主系列段階、つまり水素の核融合段階が終了することを意味します。恒星はその一生のほとんどを主系列段階で過ごし、水素燃料が枯渇すると寿命の終わりを迎えると言われています。しかし、「死」という言葉は特に正確ではありません。私はこのプロセスを説明するために「変換」という言葉を使うことを好みます。なぜなら、星が主系列段階を終えると、実際には新たなライフサイクルに入るからです。では、すべての星が死ぬと、まず赤色巨星になり、その後太陽のような白色矮星になるのでしょうか?

実はそうではありません。科学者たちは、星が死ぬときに何が起こるかはその質量によって決まることを発見した。質量が太陽の0.08～0.5倍しかない赤色矮星であれば、その寿命は1000億年にも及ぶ可能性があり、これは現在の宇宙の年齢よりも長くなります。したがって、私たちはまだそのような星の死を観測していません。赤色矮星より質量が大きいが、太陽を含む太陽の質量の 8 倍未満の恒星は、上記のような結果になります。これらはまず巨大な赤色巨星となり、その後外層が消滅すると、中心部に密度の高い白色矮星が残る。

人々がもっと興味を持つのは、より重い星の死の過程かもしれない。なぜなら、それは極めて激しい爆発、つまり超新星爆発を伴うからだ。バーストによって生成される電磁放射は、バーストが発生した銀河全体を照らすほどの強度を持つことが多く、徐々に消えるまで数週間、数か月、あるいは数年にわたって続くこともあります。この期間中に超新星から放出される放射線エネルギーは、太陽がその生涯で放射する総エネルギーに匹敵することがあります。そのため、東漢時代の西暦185年には、古代中国人は夜空で8か月間輝き続けた超新星爆発を観測し、記録していました。

爆発により、恒星はその物質のほとんど、あるいはほぼすべてを光速の 10 分の 1 に近い速度で外部に放出し、周囲の星間物質に衝撃波を放射します。この衝撃波により、膨張したガスと塵でできた殻のような構造が形成され、これを超新星残骸と呼びます。同時に、中心核は中性子星やブラックホールを形成して存在し続ける可能性があります。では、なぜ大質量星が死ぬときに超新星爆発が起こるのでしょうか?

これは、質量が大きくなると中心核の温度と圧力が上昇し、暴走現象を引き起こすためです。大質量の星が水素の燃焼を終えると、中心核はヘリウム核になります。重力の影響により、ヘリウム原子核は収縮し、温度が上昇します。 1億～2億度に達すると、ヘリウムは燃焼して炭素、酸素、ネオンを生成し、エネルギーを放出します。燃焼が完了すると、中心核は主に炭素と酸素で構成されます。炭素酸素核収縮の温度が5億～10億度に上昇すると、炭素燃焼が起こり、酸素、ネオン、マグネシウムが発生し、エネルギーが放出され、終了後、中心核は酸素・ネオン・マグネシウムの核になります。中心核がさらに収縮し、温度が12億度まで上昇し続けると、酸素の燃焼が起こります。温度が20億度から30億度に達すると、シリコンの燃焼が起こり、鉄が生成され、エネルギーが放出されます。鉄の原子核が収縮して温度が50億度まで上昇すると、鉄の原子核はガンマ光子と反応しますが、この反応ではエネルギーが放出されるのではなく、エネルギーが吸収されます。このエネルギーは、多数の電子を捕獲することによってのみ供給され、その結果、電子圧力が急激に低下します。鉄の核が激しく崩壊し、膨大なエネルギーが放出され、星の外層が爆発します。これは輝かしい超新星爆発です。前にも言ったように、この爆発は実際には死を意味するものではありません。爆発の後に残るのはおそらく中性子星かブラックホールだからです。重要なのは、超新星爆発によって大量の重元素が生成され、それが宇宙全体に広がり、私たちの生命を含む宇宙の豊かさと多様性に欠かせない要素となることです。諺にあるように、一つの星が爆発すると、すべてのものが生き返ります。

今日の天文学者は、高高度宇宙観測所ラッソや重力波検出器などの先進的な天文機器を使用して超新星爆発を観測し、この輝かしい宇宙の花火を理解しようとしています。 2023年12月、清華大学を中心とする研究チームは早期警戒信号に基づき、直ちに世界中の望遠鏡を用いて、23年5月19日に地球から5000万光年離れた場所で発生した超新星爆発について非常に詳細な観測と研究を行い、爆発前後の光の変化やスペクトルなどの情報を得た。特に興味深いのは、衝撃波が赤から青に変化する過程を初めて発見し、これまで発見されていなかった超新星爆発の衝撃波過程を明らかにしたことだ。この研究では、専門的な天体観測機器だけでなく、天文愛好家によるアマチュアの観測結果も活用しました。したがって、このネイチャー論文の著者の中には天文学愛好家が数人います。これは天文学の研究が一般の人々が広く参加できる科学であることを示しています。科学者と天文学愛好家が協力して、電磁波、ニュートリノ、高エネルギー宇宙線、重力波のマルチメッセンジャー天文観測を組み合わせて、この宇宙の驚異の背後にあるさらなる秘密を明らかにしています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者：中国科学院上海天文台研究員 韓文彪

査読者：中国科学院国立天文台研究員 郭立軍

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司