星のライフサイクル。 超新星はどのようにして作られるのか
私たちが星の塵から作られているというのは、とても詩的なことです。 驚くべきことに、これは真実でもあるのです。 私たちの体や地球の多くは、巨大な星の爆発で生まれた元素でできています。
星のライフサイクル
主系列星が光っている間に、核の中の水素が核融合によってヘリウムに変わります。 芯の水素がなくなり、核融合による発熱がなくなると、芯は不安定になり収縮します。 すると、外殻は水素が多いままなので、膨張していきます。 膨張すると冷却され、赤く光ります。 これで星は赤色巨星の段階に達した。 赤く光るのは、主系列星の段階よりも温度が低いからであり、外殻が外側に広がったから巨大化したのである。 赤色巨星の中心部では、ヘリウムが融解して炭素になります。 赤色巨星の段階までは、すべての星が同じように進化します。
低質量星(左の楕円)と高質量星(右の楕円)のライフサイクルです。
上の図は、太陽のような低質量の星と高質量の星の、赤色巨星期以降の進化の道筋の違いを比較したものです。 低質量の星（左）では、ヘリウムが炭素に融合した後、コアが再び崩壊します。 コアが崩壊すると、星の外層が排出されます。 外層部には惑星状の星雲が形成される。
図の右側には、太陽の10倍以上の大きさを持つ大質量星の一生が描かれている。 大質量星も低質量星と同じように星雲で生まれ、主系列の中で進化して生きています。 しかし、赤色巨星期を境に、そのライフサイクルに違いが出てくる。 大質量の星は、超新星爆発を起こします。 その残骸が太陽の1.4〜3倍程度の質量であれば、中性子星となる。 一方、太陽の約3倍以上の質量を持つ大質量星の核は、陽子と中性子が結合しないようにする核力に、重力が勝る。 その結果、コアは自らの重力に飲み込まれてしまうのです。 コアは自らの重力に飲み込まれ、近づく物質やエネルギーを容易に引き寄せるブラックホールとなったのです。 赤色巨星期から超新星爆発までの流れは以下の通りです。
From Red Giant to Supernova: The Evolutionary Path of High Mass Stars
 2つの超新星は、赤みがかった黄色と青の2色で、画像中心のすぐ下 （銀河核の右）で密接なペアを形成しています Image Credit: C. Hergenrother, Whipple Observatory, P. Garnavich, P.Berlind, R.Kirshner (CFA). |
コアが実質的に鉄だけで構成されている場合、コアでの核融合は停止します。これは、鉄がすべての元素の中で最もコンパクトで安定しているためです。 これは鉄が元素の中で最もコンパクトで安定しているためで、鉄の原子核を壊すのには他の元素よりも多くのエネルギーが必要です。 鉄の核融合で重い元素を作るには、エネルギーを放出するのではなく、投入する必要があるのです。 コアからのエネルギー放射がなくなった星は、1秒も経たないうちに重力崩壊の最終段階に入ります。 鉄の原子が押しつぶされ、コアの温度は1,000億度以上になります。 そして、原子核同士の反発力が重力に勝り、コアは星の中心部から衝撃波となって放出され、超新星爆発が起こるのです。 |
衝撃が星の南側の層にある物質にぶつかると、物質は加熱され、融合して新しい元素や放射性同位体を形成します。
高温の物質と放射性同位元素、そして爆発した星の残骸であるコアは、X線やガンマ線を発生させます。
For the Student
上記の背景情報と、図書館やウェブ上の追加情報源を使って、高質量星のライフサイクルの図を自分で作ってみましょう。
For the Student
テキストと外部の印刷された参考文献を使って、以下の用語を定義してください：原始星、ライフサイクル、主系列星、赤色巨星、白色矮星、黒色矮星、超新星、中性子星、パルサー、ブラックホール、核融合、元素、同位体、X線、ガンマ線。