ほこりまみれの誕生から非業の死まで、星の種類についてのガイド

晴れた月のない夜には、上空で宝石のように輝く何千もの星が見えるかもしれません。しかし、鋭い目を持つ人は、それらの星がすべて同じように見えるわけではないことに気づくでしょう。ある星は他の星よりも明るく輝き、ある星は温かみのある赤色をしています。

天文学者は宇宙に、小型の褐色矮星や赤色超巨星など、さまざまなタイプの星があることを特定している。主系列星として知られる最盛期の星は、通常、その温度によって分類される。コロラド大学の物理学助教授ナタリー・ゴスネル氏によると、ほとんどの星の温度は直接測定できないため、天文学者は別のシグナル、つまり温度に注目する必要がある。これは主に星が発する光の色から推測され、星の種類に付けられた多くの名前に反映されている。

しかし、それぞれのカテゴリーは相互に関連しています。恒星は、その生涯を通じてさまざまな名称を経て進化し、その進化は、その恒星の元々の質量と、激しく揺れ動く恒星の体内で起こる反応によって形作られます。

初めに…

すべての星は、塵とガスの雲から形成されます。乱流によって十分な量の物質が押し出され、重力によって 1 つの物体に押し込まれます。その塊が崩壊すると、回転を始めます。中心の物質は熱くなり、原始星と呼ばれる高密度の核を形成します。重力は、成長中の星が回転するにつれてさらに多くの物質を引き寄せ、星をどんどん大きくします。その物質の一部は、最終的に新しい星の周りを回る惑星、小惑星、彗星を形成する可能性があります。

恒星は、物質が内部に崩壊し、物体が成長できる限り、原始星の段階に留まります。このプロセスには数十万年かかることがあります。

恒星形成の過程で集められる質量の量によって、恒星の生涯の最終的な軌道が決まり、その生涯を通じてどのような種類の恒星になるかが決まります。

原始星、赤ちゃん星、そして失敗作

原始星がガスと塵をどんどん蓄積するにつれて、その回転する中心核はどんどん熱くなります。十分な質量が蓄積され、数百万度に達すると、中心核で核融合が始まります。星が誕生します。

これが起こるには、原始星が太陽の 0.08 倍以上の質量を蓄積する必要があります。それより少ないと、原始星に核融合を引き起こすのに十分な重力圧力がかかりません。

こうした失敗した恒星は褐色矮星と呼ばれ、その状態のまま一生を過ごし、核融合反応を起こさずに徐々に冷えていき、新しいエネルギーを放出します。褐色矮星は名前に反して、温度が低いためオレンジ色、赤色、または黒色になることがあります。褐色矮星は木星よりもわずかに大きい傾向がありますが、密度ははるかに高いです。

恒星になるのに十分な質量を獲得した原始星は、中間段階を経ることがあります。約 1,000 万年の間に、これらの若い星は重力の圧力で崩壊し、中心核が加熱されて核融合反応が始まります。

この段階では、星は 2 つのカテゴリに分類されます。太陽の 2 倍の質量を持つ星は、T タウリ型星とみなされます。太陽の 2 倍から 8 倍の質量を持つ星は、ハービッグ Ae/Be 型星です。最も質量の大きい星は、収縮が速すぎるため、この初期段階をスキップします。

十分に質量のある星が核融合を始めると、バランスをとる作業が始まります。重力は生まれたばかりの星に内向きの力をかけ続けますが、核融合は外向きのエネルギーを放出します。これらの力が互いにバランスを保っている限り、星は主系列段階に存在します。

主系列星への燃料供給

数百万年から数十億年も存続する主系列星は、宇宙の星の大部分を占め、暗く澄んだ夜に肉眼で見ることができる星です。これらの星は、核融合の燃料として水素ガスを燃焼します。星の中心部の超高温条件下では、衝突する水素が融合してエネルギーを生成します。このプロセスにより、ヘリウムを生成する反応の化学成分が生成されます。

質量は、主系列段階の天体がどのようなタイプの星になるかを決定します。星の質量が大きいほど、中心核を内側に押す重力が強くなり、星はより高温になります。熱が高ければ核融合が速くなり、内側に引力がかかるのに対して外側に圧力がかかります。そのため、星はより明るく、より大きく、より高温で、より青く見えます。

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主系列の星の多くは「矮星」とも呼ばれます。矮星の明るさ、色、大きさは、太陽の質量の 10 分の 1 から 200 倍まで、非常に幅広い範囲にわたります。最も大きな星は青い星で、特に高温で明るいです。中間にあるのは黄色い星で、太陽もこれに含まれます。やや小さいのはオレンジ色の星で、最も小さくて冷たい星は赤い星です。

最も熱い星は O 型星で、表面温度は 25,000 ケルビンを超えます。次に B 型星 (10,000 ～ 25,000 K)、A 型星 (7,500 ～ 10,000 K)、F 型星 (6,000 ～ 7,500 K)、G 型星 (5,000 ～ 6,000 K。表面温度が約 5,800 K の太陽もこれに含まれます)、K 型星 (3,500 ～ 5,000 K)、M 型星 (3,500 K 未満) があります。

バランスを崩して巨星を育てる

星の燃料がなくなると、その中心核は収縮し、さらに熱くなります。これにより、残った水素の核融合がさらに加速します。余分なエネルギーが生成され、それが外側に放射され、重力の内側への力に逆らってより強力に押し出され、星の外層が膨張します。

これらの層が広がると、冷えていき、星はより赤く見えるようになります。その結果、低質量星 (太陽の 8 倍未満の質量) か高質量星 (太陽の 8 倍を超える質量) かによって、赤色巨星または赤色超巨星になります。この段階は通常、約 10 億年続きます。

赤色巨星の中には、赤というよりオレンジ色に見えるものもあり、南十字星のガンマ十字星（別名南十字星）のように肉眼で見えるものもあります。

低質量星の死とその後

星の死に方は、その質量によって大きく異なります。低質量の星の場合、水素がほぼなくなると、中心核はさらに収縮し、さらに高温になります。非常に高温になるため、星はヘリウムを核融合させることもできます。ヘリウムは水素よりも重い元素であるため、核融合にはより多くの熱と圧力が必要です。

赤色巨星はヘリウムを燃焼して炭素やその他の元素を生成すると不安定になり、脈動し始めます。外層は放出され、星間物質に吹き飛ばされます。最終的に、これらの層がすべて剥がれ落ちると、小さくて高温で密度の高い核だけが残ります。このむき出しの残骸は白色矮星と呼ばれます。

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白色矮星は地球とほぼ同じ大きさですが、質量は地球の数十万倍もあり、もはや自ら熱を新たに生み出すことはありません。数十億年かけて徐々に冷え、青白から赤までさまざまな光を発します。これらの高密度の星の残骸は肉眼では暗すぎるのですが、南の星座はむすか座では望遠鏡で見えるものもあります。北の星座うお座にあるファン・マーネンの星も白色矮星です。

高質量星の爆発的な死

太陽の8倍の質量を持つ恒星は、少なくともこの段階の初期には、通常、同様のパターンをたどります。恒星のヘリウムが少なくなると、恒星は収縮して熱くなり、その結果生じた炭素を酸素に変換できます。このプロセスは酸素でも繰り返され、酸素はネオンに変換され、次にネオンはシリコンに変換され、最後に鉄に変換されます。この融合シーケンスのための燃料がなくなり、これらの反応からエネルギーが外向きに放出されなくなると、重力の内向きの力がすぐに勝ります。

1 秒以内に、星の外層が内側に崩壊します。中心核は崩壊して跳ね返り、星の残りの部分に衝撃波を送ります。これが超新星爆発です。

超新星爆発後の恒星の一生は、2 つの道筋のいずれかを辿ります。主系列段階で恒星の質量が太陽の 8 倍から 20 倍だった場合、中性子星と呼ばれる超高密度の核が後に残ります。中性子星の直径は白色矮星よりもさらに小さく、ニューヨーク市の長さほどの大きさで、質量は太陽よりも大きいです。

しかし、最も質量の大きい恒星の場合、その残骸の中心核は自身の重力の圧力によって崩壊し続ける。その結果、原子ほどの大きさでありながら超大質量恒星の質量を持つブラックホールが形成される。

すべての星がきちんとしたカテゴリーに当てはまるわけではない

原始星から白色矮星、中性子星、あるいはブラックホールへの進化は、一見単純なように思えるかもしれない。しかし、ゴスネル氏は、さらに詳しく観察すると驚きが見つかるかもしれないと語る。欧州宇宙機関の天体物理学用全球天体測定干渉計ミッションは、銀河系内のすべての恒星の詳細な 3D マップを作成しており、こうした奇妙な恒星が数多く発見されている。

一例として、連星系または多重星系にある恒星が伴星から質量を獲得している。余分な質量を燃やすため、実際の年齢よりも若く見え、青く明るく見える。ゴスネル氏によると、これは「予想される進化から遅れている」ように見えるため、青色はぐれ星と呼ばれる。

ゴスネル氏によると、もう一つの変わったタイプの星は準準巨星だ。これらの星も連星系に存在し、主系列から赤色巨星の分岐に移行しているが、暗いままである。この種の準巨星は「非常に活発な磁場を持ち、表面には多くの星斑がある」とゴスネル氏は言う。「そのため、これらの星は磁場が非常に活発で、星斑が回転して視界に入ったり消えたりする様子が視覚的にダイナミックに映し出される」

ゴスネル氏はさらに、現在進行中の ESA ミッションは「より綿密に」星を調査しており、これまでずっと存在してきた星の真の多様性と複雑さが明らかになるかもしれないと付け加えた。このようなミッションは「層を剥がす」ものであり、「これらのカテゴリーの限界に挑戦する、本当に興味深い話が出てくるのを目にし始めている」とゴスネル氏は言う。