星はどう生まれ、どう死ぬのか？――太陽からブラックホールまで

夜空の星は、永遠に同じ姿で光っているように見える。

人間の寿命から見ればほとんど変化しない。しかし恒星にも誕生があり、成熟があり、死がある。

そしてその死は、私たち自身の存在ともつながっている。

人間の身体に含まれる炭素、酸素、カルシウム、鉄などの多くは、過去の恒星の内部や恒星の死に伴う現象によって作られた。

星はガスから生まれる

恒星の材料は主に水素とヘリウムである。

宇宙空間には巨大な分子雲があり、その一部が重力不安定になると自分自身の重力で縮み始める。

物質が中心へ落ち込むと重力エネルギーが熱へ変わり、中心温度が上昇する。この段階が原始星である。

さらに収縮し、中心温度が約1000万K規模に達すると、水素原子核どうしの核融合が持続的に起こるようになる。

ここで本格的な恒星が誕生する。

なぜ星は潰れないのか

恒星には二つの力が働く。

内側へ向かうのが重力。

外側へ支えるのが、高温ガスの圧力や放射による圧力である。

核融合によってエネルギーが供給されている間、この二つがほぼ釣り合う。

この状態を静水圧平衡という。

太陽は現在、この安定期にある。

太陽は燃えているのか

日常語では「太陽が燃えている」と言うが、化学的な燃焼ではない。

太陽中心部では主に水素原子核が融合し、ヘリウムになる。

融合後の質量は、融合前の水素原子核の質量合計よりわずかに小さい。

失われた質量が、アインシュタインの E = mc² に従ってエネルギーへ変わる。

核融合は化学反応より桁違いに大きなエネルギーを生むため、太陽は約46億年間も輝き続けている。

星の寿命は「重いほど短い」

一見すると、大質量星は燃料を多く持つので長寿命に思える。

実際には逆である。

質量が大きい星ほど中心温度と圧力が高く、核融合反応を猛烈な速度で進める。

いわば、大きな燃料タンクを持ちながら、それ以上に燃費が悪い。

太陽程度の星は約100億年規模で主系列星として存在する一方、非常に重い恒星は数百万年程度で最期を迎える場合がある。

太陽は最後にどうなるのか

太陽中心部の水素が減ると、中心部は収縮して温度が上昇し、外層は大きく膨張する。

太陽は赤色巨星になる。

その後、中心部ではヘリウム核融合が始まり、炭素や酸素などが作られる。

しかし太陽程度の質量では、さらに重い元素を次々と融合させるほど中心温度を上げられない。

最終的に外層を宇宙空間へ放出し、中心部だけが残る。

これが白色矮星である。

白色矮星では通常の核融合はほぼ止まっている。それでもすぐには冷えず、長い時間をかけて熱を放出していく。

重い星はさらに核融合を進める

大質量星では、より高い中心温度によって、

水素 → ヘリウム → 炭素 → ネオン → 酸素 → ケイ素……

というように、より重い原子核を作る核融合が進む。

しかし、この流れは永遠には続かない。

大きな壁になるのが鉄付近の元素である。

軽い元素を鉄付近まで融合するとエネルギーを取り出せるが、鉄より重い原子核の融合では通常エネルギーを投入する必要がある。

そのため鉄中心核が成長すると、恒星は重力に対抗するエネルギー源を失う。

超新星爆発

中心核が支えきれなくなると、短時間で猛烈な重力崩壊が起きる。

その過程で衝撃波や大量のニュートリノなどが関与し、星の外層が吹き飛ばされる。

これがコア崩壊型超新星である。

超新星爆発は宇宙へ大量の元素をばらまく。

ただし、鉄より重い元素のすべてが単純に超新星だけで作られるわけではない。金や白金など多くの重元素には、中性子星合体を含むr過程が重要だと考えられている。

中性子星

重力崩壊後、中心核の質量が一定範囲なら中性子星が残る。

中性子星は直径数十km程度しかないにもかかわらず、太陽程度以上の質量を持つ極端に高密度な天体である。

物質は通常の原子構造を保てず、中性子主体の超高密度状態になる。

高速回転し、磁極方向へ強い電波などを放つものはパルサーとして観測される。

ブラックホール

さらに重い中心核では、中性子の縮退圧などでも重力を支えられず、崩壊が続く。

その結果、事象の地平面を持つブラックホールが形成されると考えられている。

つまりブラックホールは「宇宙に最初から開いている穴」ではなく、大質量恒星の最期などから自然に生まれ得る天体である。

私たちは星の子なのか

かなり文字通り、そう言える。

ビッグバン直後の宇宙には主に水素とヘリウム、少量の軽元素しかなかった。

炭素や酸素などは恒星内部で作られ、恒星風や星の死によって宇宙へ放出された。

その物質が次世代の星と惑星を作った。地球もその一つである。

私たちの身体を構成する原子の多くは、太陽系が生まれるより前に存在した恒星の内部を一度は通ってきた。

まとめ

恒星は宇宙の背景ではない。

惑星の環境を生み、生命に必要なエネルギーを与え、最後には次の星や惑星の材料となる。

宇宙は、星が生まれて死に、その残骸から次の星が生まれる巨大な物質循環系でもある。

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参考資料

• NASA Science, “Star Lifecycle”
• NASA Science, stellar evolution and supernova resources