カシオペア座にある超新星。 周囲の物質と電磁波の継続的な放射の両方が、この残骸の継続的な照明に関与している。 NASA、ESA、ハッブル遺産STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration。 謝辞 (提供:ESA/ハッブル宇宙望遠鏡)
十分な質量を持つ星を作っても、太陽のように「ポン」と消えることはなく、何十億年も順調に燃え続け、白色矮星に落ち込んでしまいます。 その代わり、核が崩壊し、核融合反応の暴走によって星の外側が超新星爆発で吹き飛ばされ、内部は中性子星かブラックホールにまで崩壊してしまうのだ。 というのが、これまでの通説だった。 しかし、星の質量が十分に大きければ、超新星爆発が起きないかもしれません。 また、直接崩壊して星全体が消滅し、ブラックホールになる可能性もあります。 超新星は、超新星よりもはるかにエネルギーが強く、光り輝き、核の残骸を全く残さないのです。 最も重い星は、どのように一生を終えるのでしょうか？ X線、電波、赤外線の波長で見ることができます。 超新星爆発を起こし、宇宙が地球のような惑星を持つために必要な重元素を作り出すには、少なくとも太陽の8～10倍の質量を持つ星が必要です。 X線。 NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: パロマー; 電波: NSF/NRAO/VLA
どの星も生まれたばかりの頃は、コアで水素をヘリウムに融合しています。 太陽のような星も、木星の数倍しかない赤色矮星も、私たちの数十倍から数百倍の質量を持つ超巨大星も、すべてこの第一段階の核反応を起こします。 質量が大きい星ほど、核の温度は高くなり、核燃料の燃焼速度も速くなる。 核融合に必要な水素がなくなると、星のコアは収縮して熱くなり、十分な温度と密度があれば、さらに重い元素を融合し始めることができる。 太陽のような星は、水素の燃焼が完了すると、ヘリウムを炭素に融合させるのに十分な高温になりますが、太陽ではそれが限界です。
その周囲の星雲は、我々の銀河系の次の超新星になるかもしれない何千もの天の川の星のうちの1つである。 この星は、水素とヘリウムしかない宇宙で形成されるよりもはるかに大きく、質量も大きく、すでに炭素を燃やす段階に入っているのかもしれません。 Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidy
もしあなたの星がこれほど巨大なら、宇宙で大きな花火が上がることになりますね。 太陽のような星が惑星状星雲の中で外層を優しく吹き飛ばし、（炭素と酸素に富んだ）白色矮星に収縮するのと違い、あるいは赤色矮星がヘリウム燃焼に至らず、単に（ヘリウムベースの）白色矮星に収縮するのと違い、最も重い星は激変の運命にあるのです。 多くの場合、特に低質量星（太陽質量の20倍以下）では、核融合がより重い元素に移行するにつれて炉心温度が上昇し、炭素から酸素やネオン燃焼、さらにマグネシウム、ケイ素、硫黄の燃焼へと周期律表が上昇して、鉄、コバルト、ニッケルの核に至ると考えられている。 これらの元素を融合させると、得られるエネルギーよりもコストがかかるので、ここでコアが崩壊し、そこからコア崩壊型超新星を得るのです。
生命は、II型超新星で絶頂に達する。 Nicole Rager Fuller for the NSF
私たちの宇宙にある多くの巨大な星にとって、それは輝かしい、壮大な終わり方です。 この宇宙で作られるすべての星のうち、このような運命をたどるほど巨大な星は1％未満です。 質量が大きくなればなるほど、そのような大きな星を持つことはますます稀になります。 宇宙に存在する星の約80%は赤色矮星で、太陽の40%以下の質量しかありません。 太陽は、宇宙の約95％の星よりも質量が大きいのです。 夜空には、人間の目で最も見やすい、非常に明るい星がたくさんあります。 しかし、超新星の下限を超えると、太陽の何十倍、何百倍もの質量を持つ星が存在します。 このような星は稀ですが、宇宙的には非常に重要な存在です。 なぜなら、これらの大質量星の生死は超新星爆発だけではないからです。
数千年前に起きた超新星の残骸。 もし遠方の超新星が現代のものよりも塵の多い環境にあるとすれば、現在のダークエネルギーに関する理解を修正する必要があるかもしれません。 T.A. Rector/アラスカ大学アンカレッジ校、H. Schweiker/WIYN and NOAO/AURA/NSF
まず、多くの巨大星には流出や噴出物が存在します。 時間の経過とともに、寿命が尽きたり、ある特定の核融合段階が終わったりすると、何かが原因で核が一時的に収縮し、その結果、核が加熱されます。 核が高温になると、あらゆる核融合の割合が増え、星のコアで作られるエネルギーが急激に増加する。 このエネルギー上昇により、大量の物質が吹き飛び、通常の星よりも明るく、最大で数十太陽質量の物質が失われる「超新星もどき」と呼ばれる現象が発生します。 2980>
は巨大な噴火を起こし、イータ・カリーナ星から星間物質に太陽何個分もの物質が噴出されました。 私たちの銀河のように、金属に富む銀河の中にあるこのような質量の大きな星は、小さくて金属量の少ない銀河の中にある星にはない方法で、大きな質量の割合を放出するのです。 Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA
では、太陽の20倍以上の質量の星は、最終的にどうなるのでしょうか？ さて、3つの可能性がありますが、それぞれを駆動する条件が何であるかは、まだ完全には分かっていません。 一つは超新星爆発で、これはすでに説明したとおりです。 超巨大星は、星を構成する「物質」が十分に失われると、星全体の構造が突然適切な質量範囲に収まることで、簡単に超新星爆発を起こすことができます。 しかし、それ以外にも2つの質量範囲（これも正確な数値は不明ですが）があり、それによって2つの結果を得ることができるのです。
太陽の約25倍の質量の星が、超新星爆発も他の説明もなく、ウインクして消えてしまったのです。 直接崩壊が唯一の合理的な説明候補である。 NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)
直接崩壊するブラックホール。 星が超新星爆発を起こすと、その核は崩壊し、質量に応じて中性子星にもブラックホールにもなる。 しかし、昨年、天文学者は初めて太陽系25個分の質量しかない星が消滅するのを観測しました。 星が何の前触れもなく消えてしまうことはありませんが、何が起こったのかについては物理的に説明がつきます。 中心部の密度が十分に高くなれば、つまり、十分な質量が十分に小さな容積の中に圧縮されれば、事象の地平線が形成され、ブラックホールが生まれます。 ブラックホールを作ると、他のすべてが引き込まれる可能性があります。
大量の、短命で明るい青い星で強調されています。 わずか1000万年ほどの間に、最も重い星の大部分がII型超新星として爆発する…あるいは単に直接崩壊するかもしれない。 ESO / VST サーベイ
直接崩壊は、おそらく200-250太陽質量を超える非常に重い星に起こるという理論がありました。 しかし、最近このような低質量の星が消えたことで、そのすべてに疑問が投げかけられています。 おそらく私たちは、星のコアの内部を思っているほど理解しておらず、星が単に完全に崩壊して消滅する方法が複数あるのだろう。 もしそうだとすると、直接崩壊によるブラックホール形成は、これまで予想されていたよりもはるかに一般的で、宇宙が極めて早い時期から超巨大ブラックホールを形成するための非常に優れた方法である可能性があります。
すべてが吹き飛ばされ、残骸がまったく残らないかもしれないのだ！
超新星爆発よりもはるかに壮大な光のショーが行われる。 NASA / Skyworks Digital
ハイパーノヴァの爆発。 超新星爆発とも呼ばれるこれらの現象は、他のどの超新星よりもはるかに明るく、非常に異なったライトカーブ（明るくなったり消えたりするパターン）を示す。 この現象を説明する有力な方法は、「ペア不安定性メカニズム」と呼ばれるものです。 地球全体の質量の数十万倍から数百万倍という大きな質量を小さな体積に閉じ込めると、とてつもないエネルギーが放出される。 理論的には、太陽の100倍以上の質量の星を作れば、そのエネルギーは非常に大きくなり、個々の光子は電子と陽電子のペアに分裂することができます。 電子はご存知の通りですが、陽電子は電子の反物質で、とても特別なものです。
この過程が、SN2006gyとして知られる超新星爆発を引き起こしたと天文学者は考えています。 十分に高いエネルギーの光子が生成されると、電子と陽電子のペアを作り、圧力低下と暴走反応を引き起こし、星を破壊する。 NASA/CXC/M. Weiss
陽電子が大量に存在すると、必然的に存在する電子と衝突することになる。 この衝突によって両者が消滅し、非常に特殊で高エネルギーのガンマ線光子が2つ生成されます。 陽電子（ひいてはガンマ線）の生成率が十分に低ければ、星のコアは安定した状態を保ちます。 しかし、ガンマ線の生成速度が十分に速ければ、これらの過剰な511keVの光子はすべて核を加熱してしまいます。 つまり、ある割合で電子・陽電子ペアを作り始めても、コアが崩壊してしまえば、ますます速く生成するようになり、コアを加熱し続けることになるのです! そして、これを無限に続けることはできません。最終的には、最も壮大な超新星爆発を引き起こすのです。ペア不安定超新星は、100太陽質量の星全体が吹き飛ばされます。
つまり、超巨大星がもたらす可能性のある結果は4つあるのです。
- 低質量超新星からの中性子星と超新星残骸のガス、
- 高質量超新星からのブラックホールと超新星残骸のガス、
- 大質量星の直接崩壊による残骸のない超巨大ブラックホール、
- 超新星爆発による残骸のガス、だそうです。
超新星爆発前のシリコン燃焼の最終段階にある大質量星。 今日のカシオペアA超新星残骸のチャンドラ画像（右）には、鉄（青）、硫黄（緑）、マグネシウム（赤）などの元素が写っています。 しかし、これは必然的なことではなかったかもしれない。 NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming
非常に大きな星を見ると、それが超新星爆発を起こして、ブラックホールか中性子星が残ると考えたくなります。 しかし実際には、もう2つの可能な結果が観測されており、宇宙規模ではかなり頻繁に起こっているのです。 それぞれの事象がいつ、どのような条件で起こるかはまだ解明されていませんが、いずれも起こることなのです。 今度、太陽の何倍もの大きさと質量を持つ星を見たとき、「超新星爆発」は必然的な結論だとは思わないでください。 これらの天体にはたくさんの生命が残っていますし、その消滅の可能性もたくさんあるのです。 私たちの観測可能な宇宙は、爆発的に始まったことが分かっています。 そのため、このような「曖昧さ」は、「曖昧さ」そのものであり、「曖昧さ」であるとも言えます。 私のウェブサイトや他の作品はこちらでチェックしてください。