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数十億年後に出現するかもしれない奇妙な4種類の星「青色矮星」「冷凍星」

 

宇宙誕生から138億年――

宇宙に存在する通常物質は、様々な種類の、大きさ、明るさ、寿命を持つ星を生み出しています。しかし、現存する種類の星だけがこれから後も存在するわけではありません。次の数十億から数兆年後の未来には、現在の星の成れの果てとなる、全く新規で奇妙な天体が出現するといわいれています。そういった天体は、宇宙の熱的死の先触れとなるかもしれませんが、後のことはわかりません。

宇宙が十分長く存続すれば、いつの日にか、以下の4種類の星が出現するでしょう。

青色矮星

Credit: NASA/ STEREO

M型矮星とも呼ばれる赤色矮星ですが、宇宙では最もありふれたタイプの恒星であると考えられています。小さな恒星で、ものによっては巨大ガス惑星ほどの大きさしかなく、質量も温度も恒星としては小さな部類です。もっとも小さいもので、木星の質量の80倍程度しかありません。太陽が木星の1000倍あることを考えると非常に小さいです。

このように小さくて冷たい恒星にも、何らかの取り柄はあります。赤色矮星の寿命は、天文学者の推計では数兆年もあり、その間にゆっくりと水素をヘリウムへと消費していきます。つまり、赤色矮星の中には宇宙の年齢と同等のものが含まれているのです。太陽質量の10%程度の赤色矮星の寿命は6兆年。TRAPIST1のような最も小さい恒星ではその2倍程度と言われています。宇宙の年齢が138億年であることを考えると、赤色矮星はその生涯の1%も経過していないことになります。

一方、太陽がすべての水素を使い果たし、ヘリウムを炭素に融合し始めるまでたった50億年しかありません。この変化は太陽を進化の次の段階へと導きます。まず、膨張して赤色巨星になり、その後冷えて白色矮星へと縮みます。銀河中で見られる電子に富む星の死骸です。

数兆年後、赤色矮星も最後の水素を使い果たすでしょう。すると、この小さな冷たい星は暫くの間極めて熱い星へと変化し、青く輝きます。太陽のように外側へと拡大するのではなく、内側へと崩壊すると考えられているからです。最終的には青色矮星の時期も終りを迎え、残った星の燃えさしは小さな白色矮星になります。

黒色矮星

Credit: NASA/ JPL-Caltech

白色矮星といえども長くは持ちません。白色矮星が炭素や酸素、遊離電子などを使い果たしたとき、ゆっくりと冷えて黒色矮星になります。この理論上の天体は、電子縮退物質でできており、ほとんど光のないほんとうの意味での死んだ星です。

太陽のような恒星の最後の運命です。しかし、黒色矮星へと変化する最初のプロセスに入るだけでも数十億年かかります。主系列星として、太陽はこの運命に向かって邁進しており、まず、赤色巨星となって外側へと拡大します。その大きさは、金星の軌道にも届くでしょう。赤色巨星としてもう数十億年過ごした後、白色矮星になります。NASAの計算では、太陽は白色矮星として100億年は過ごすようです。しかしある推測では、千兆年を過ごすと見積もられています。いずれにせよ、今の宇宙よりも長い期間が必要であるため、今の宇宙に黒色矮星のようなエキゾチック物質でできた星は無いことになります。

黒色矮星の最終局面では、星はすでに陽子崩壊を経験しているはずで、最終的にエキゾチックな形態の水素として蒸発します。2012年に見つかった2つの白色矮星は110億歳にまで達しており、黒色矮星への変化の段階に達している可能性があります。しかし、この経過を遅らせるものはそうそうないため、今後どの様な経過を迎えるのか、今後数十億年の間、観測し続けるしか無いでしょう。

冷凍星

Credit: NASA Goddard Space Flight Center

いつの日か、宇宙内に存在する軽い物質が重たい物質へと融合されつくし始めると、水の融点と同等の温度でしか熱を発しない星が生まれるようになるかもしれません。「冷凍星」と呼ばれるこの星は、273K(0℃)でしか燃えず、様々な重元素でできています。

この様な天体を想像した研究者によると、冷凍星が現れるのは1兆年のさらに1兆倍といった途方もなく先の話です。この天体は褐色矮星という恒星でも惑星でもない天体が衝突することでできます。冷凍星は温度は低いですが、理論上では核融合を維持できるだけの重さを持ちます。しかし、光を発する程の熱はありません。大気は氷の雲で汚染されており、脆弱なコアは僅かなエネルギーを放射しています。もし、理論通りに形成されたとすると、恒星というよりも褐色矮星のように見えるでしょう。

これほど遠い未来にもなると、最も大きな恒星でも太陽の30倍程度。現存する恒星では300倍というものもあルノに比べるとずっと小さいです。この時期の星は平均値も小さく、多くは木星の40倍程度となり、表面下でわずかに水素をヘリウムへと燃やすにとどまるでしょう。この冷たい遠い未来の宇宙は、星の形成自体がほとんど行われず、残った大型の天体といえば、殆どが白色矮星、褐色矮星、中性子星、ブラックホールとなっているでしょう。

鉄星

FRF4E7 Hot planet solar system background illustration space Credit: Iuliia Bychaeva/ Alamy Stock Photo

もし宇宙が現在そうであるように、内側へと崩壊するのではなくて常に外側へと拡大するなら、原子そのものが壊れ始める「熱的死」を迎えることになるでしょう。この終へと向かう段階では、いくつかの普通ではない天体が形成されます。その中の一つが鉄星です。

宇宙全体に広がる恒星においては、軽い元素が核融合して重たい元素に変わっており、最終的には安定して長く存続できる膨大な量の鉄原子の同位体に変わるでしょう。エキゾチックな量子トンネル効果は、量子レベルで鉄を突破できます。その過程で、鉄星と呼ばれる全体が鉄でできた巨大な星が生まれます。しかし、この様な天体が可能となるのは、ただ陽子の崩壊がない場合だけです。陽子崩壊が起きるのかどうかを人間が知るには、人生は短すぎます。

宇宙がどのくらいの長さ存続できるかはわかりません。種としての人類でも、宇宙の最終局面を観察することは無いでしょう。でも、もし私達が生き延びて何兆年も先の空を見上げることができるとすれば、驚くべき変化を目撃することになるでしょうね。

 

reference: Smithsonian.com / written by SENPAI