大質量星、超新星、残される天体

大質量の恒星は、中心が鉄になると数日のうちに燃料が尽き、崩壊します。

短い一生を駆け抜ける

NASAは、恒星の最期を太陽の約8倍の質量で分けています。この境界より重い星も、ほかの星と同じように、雲が収縮して生まれ、主系列で水素の核融合を始めます。ただし、HR図では高温で明るい左上に位置します。燃料の消費が非常に速く、NASAの説明では、太陽の約100億年に対し、全過程がわずか数百万年で進みます。NASAによると質量が太陽の約15倍のベテルギウスは、年齢約1000万年で、すでに赤色超巨星になっています。

タマネギのような層構造

中心の水素が尽きると、大質量星も小さな星と同じようにヘリウムを炭素へと融合させます。しかし中心が重いため、その先も続きます。ヘリウムの後には炭素をネオンに、次にネオンを酸素に、酸素をケイ素に、最後にケイ素を鉄に融合させます。新しい燃料は中心で燃え、それまでの燃料はその外側の殻で燃え続けるため、星の内部は中心に鉄を持つタマネギのような構造になります。NASAによると、新たな燃料に切り替わるたび、残された時間は短くなります。ケイ素が鉄に融合する段階になると、数日のうちに燃料を使い果たします。

鉄が終着点です。鉄をさらに重い元素へ融合させるには、エネルギーを放出するどころか、吸収する必要があります。そのため、中心部は自分自身を支える力を失います。1秒にも満たない間に崩壊し、原子核が密に詰まって抵抗するようになると、中心部が跳ね返ります。この反発による衝撃波が星の中を外へ伝わり、超新星爆発が起こります。一時は銀河全体より明るく輝くこともある爆発です。NASAは、放出された物質が後のガス雲に元素を供給し、次世代の恒星や惑星に、先代の恒星の内部でつくられた元素が含まれるようになると説明しています。

中性子星とブラックホール

何が残るかは質量によって決まります。NASAによると、太陽の約8～20倍の質量の星は中性子星を残します。太陽を超える質量が、マンハッタン島の長さほど、直径約20 kmの球に詰まった天体です。密度は地上の物質とは比べものになりません。太陽の1.4倍の質量を半径10 kmの球に詰めると、1立方メートルあたり約7 × 10¹⁷ kgになります。多くの中性子星は高速で自転し、灯台のように放射のビームの向きを変え、宇宙空間を照らします。ビームが地球を横切ると、パルサーとして観測されます。マグネターと呼ばれるものには、典型的な中性子星の最大1000倍もの強い磁場があります。

NASAによると、質量が太陽の約20倍を超える星は、崩壊して恒星質量ブラックホールになります。重力が非常に強く、事象の地平面の内側からは光さえ脱出できません。太陽と同じ質量のブラックホールなら、地平面の半径はわずか約3 kmです。ブラックホールは、周りの物質への影響から見つかります。伴星から引き寄せられたガスが渦巻く円盤の中で熱せられ、X線で輝きます。NASAは、ベテルギウスはおそらく約10万年後の超新星爆発の後、残る質量に応じて中性子星かブラックホールになると考えています。