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2020.09.05 Saturday

宇宙物理学  主系列段階を終えると

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    ***** 宇宙の構造 (2) 天の川銀河内 > 構成 *****

    星(恒星)が生まれてから死ぬまでにたどるプロセスを「星の進化」というそうだ。



    星は歳をとると太り始める

    星は一生の90%ほどの期間を主系列星として輝くそうだ。
    主系列星では、星の中心部で水素がヘリウムに変わる熱核融合反応によってエネルギーを生み出している。

    しかし熱核融合反応が起こるほど高温になっているのは、星の中心部だけで、全体からみれば1%ほどにすぎない。
    やがて中心部は、ヘリウムが溜まってきた中心核(コア)と、それを取り巻く水素の外層、という構造に変わっていく。

    中心核の水素を使い切ってしまうと、星は主系列から外れて次のステップに進む。

    エネルギーを生み出すことができなくなった中心部は、周りの圧力に負けて収縮していく。
    だがこのときに熱が発生し、中心核(コア)を取り巻く水素の外層が熱核融合反応を起こし始める。
    反応が起こる領域が大きいので、生み出されるエネルギーも大きく、太陽は物理的に膨張し、赤色巨星になる。
     
    ??? どうもこのあたりのことがよく分からなくて、イメージが湧かない。

    とにかく、晩年になった星は例外なく太り始めるそうだ。
    星の表面温度は下がって色は赤く見えるので「赤色巨星」と呼ばれ、特に明るくて大きなものは「赤色超巨星」と呼ばれる状態になる。


    星が太り始めてから先の運命は、星の質量やペアとなる星の有無などによって大きく異なってくる。



    質量による星の進化の違い
     

    赤色巨星になった星は、その燃料が完全に尽きたとき死を迎えるが、その様子は大きく4つに分けられる。
      (1) 太陽質量の1/10から8倍までの軽い星は、そのまま燃え尽きて「白色矮星」になる。
      (2) 太陽質量の8倍から10倍までの星は、超新星爆発を起こして跡形も残らない。
      (3) 太陽質量の10倍から30倍までの重い星は、超新星爆発を経て「中性子星」になる。
      (4) 太陽質量の30倍から100倍のとても重い星は、超新星爆発を経て「ブラックホール」になる。

        (注)数値は研究者によって少し違っている。

    次回以降で、それぞれに関してもう少し詳しい話をするつもりだ。



    連星の場合

    私たちの太陽は単独でいるが、このように単独でいる星は全体の1/3くらいしかないそうだ。
    連星の中でも、互いの星が接触するくらい近くを回っているようなものを「近接連星」と呼ぶ。
    このような特殊な状況にある連星系では、片方の星のガスが一方の星の表面に降り積もるという現象が起きている。
    そのために、星の進化は単独の星とは全く異なるものになるそうだ。

    下の絵は想像図で、左側の赤色巨星から右側の白色矮星へとガスが流れ込んでいるところだ。
    流れ込んだガスは高密度星の周りに円盤を形成するが、これを「降着円盤(こうちゃくえんばん)」と呼ぶ。
     
         画像はJAXAのウェブサイトからお借りしました。  → こちら



    50億年後の地球は?
     

    太陽が赤色巨星になったら、地球は飲み込まれてしまうと思っていた。
    昔どこかで、そんなことを読んだ記憶があるのだ。


    山口大学・時間学研究所の藤沢健太さんが書かれた
    「50億年後の地球」というとても面白い記事を見つけた。 → こちら
    一部を紹介させて頂く。

    50億年後には太陽は赤色巨星となり、その後は白色矮星となって一生を終える。
    そのとき、地球はどうなっているだろうか。
    講演会等で聞かれることがしばしばあるが、恥を忍んで白状すると、筆者はこの問いに対する正しい答えを知らない。
    これまでは「赤色巨星になった太陽に地球は飲み込まれてしまうのですよ」、と昔読んだ本の知識に従って答えていたのだが、良く考えてみるとこの答えが正しいかどうか分からなくなってきた。
    本当に太陽に飲み込まれるのだろうか?
    それに飲み込まれたとしても、地球はその後どうなるのだろうか?

    改めて書物で調べてみると、本によって書いてあることがまちまちであることに気付いた。
       ・太陽も(中略)赤色超巨星となり、地球をも飲み込んでしまう。
       ・太陽は地球を飲み込み、地表面のほとんどは蒸発して星間物質となる。
       ・太陽半径は約200倍に大きくなるが、地球の軌道がおよそ1.4倍に広がるため、
        地球はかろうじて太陽に取り込まれることを免れる。
       ・赤色巨星になった太陽に熱せられて蒸発してしまう。
       ・熱せられるが蒸発することはない。

    主星の終末期において、惑星にとって重要なプロセスは次の3点だ。
       ・中心星の膨張
       ・質量放出
       ・光度の増加

    いずれにせよ、50億年後、地球が太陽に飲み込まれるかどうか、身近な書物を調べた限りでははっきりしない。
    色々と考えてみたが、結局のところ50億年後の地球の運命は良くわからない。
    果たして地球は太陽に飲み込まれるのか、それとも白色矮星化した太陽の周囲に存在し続けるのか、
    あるいは破壊され蒸発して、質量放出に伴って宇宙空間へ戻るのか、はたまた白色矮星化した太陽の表面に固着するのか。
    ただ、地球の場合はともかく、水星と金星は飲み込まれ可能性が高い。


     
    参考図書
      ・「ベテルギウスの超新星爆発」、野本陽代、幻冬舎新書、2011年
      ・「銀河 宇宙140憶光年のかなた」、ジェームズ・ギーチ、(訳)糸川洋、筑摩書房、2014年
      ・「輪廻する宇宙」、横山順一、講談社ブルーバックス、2015年
      ・「天の川が消える日」、谷口義明、日本評論社、2018年
      ・「宇宙の果てになにがあるのか」、戸谷友則、講談社ブルーバックス、2018年


     








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