恒星の一生 · StellarLab

冷たく暗い分子雲から自分の手で星を収縮させよう。原始星円盤の点火を見て、質量をドラッグして色・明るさ・寿命を決め、HR 図に軌跡を描く。赤色巨星への膨張と惑星状星雲の放出に付き合い、あるいは大質量星が超新星で壮烈に幕を下ろし、白色矮星・中性子星・ブラックホールを残すのを見る。最後は大質量星が残したブラックホールへ飛び、重力レンズが星空をアインシュタイン環に曲げ、降着円盤の光がアーチに折り返されるのを目撃しよう。ブラックホール映像は GPU が光の測地線を一本ずつ積分してリアルタイム描画する。

教科：天文 · 対象：高校、大学 · 学習内容：星雲の収縮と星の形成、主系列と HR 図、赤色巨星・超新星・恒星の残骸、ブラックホールと重力レンズ

章の内容

星雲のゆりかご

星間空間には巨大な分子雲が漂っている。水素とヘリウム、わずかな塵からなり、温度は約 10 K——地球上のどんな冷凍庫よりも冷たい。ガスが十分に密集し冷えた場所では、重力がガスの圧力に打ち勝ち、雲は収縮を始める。

落下は直線ではない。雲のかすかな自転は収縮とともに速まり（腕を縮めるフィギュアスケーターを思わせる）、物質はまず回転円盤に落ち、円盤に沿って中心へ流れ込む。中心の密度と温度は上昇の一途——そこで原始星が育っている。

点火

収縮は重力エネルギーを熱に変える。中心温度が約 1000 万 K に達すると、水素原子核がついに激しく衝突し、核融合が点火する。4 つの水素核が 1 つのヘリウム核になり、失われたわずかな質量が E = mc² に従って莫大なエネルギーになる。

融合の外向き圧力が内向きの重力を支え、星は収縮を止めて静力学平衡に入る——灯がともる。太陽質量の 8% 未満の天体はこの温度に永遠に届かず、ゆっくり暗くなる褐色矮星——失敗した星になる。

主系列の時代

星を温度と光度で図に描くと（ヘルツシュプルング・ラッセル図）、9 割が左上から右下へ走る帯——主系列に載る。高温で明るい星は左上、低温で暗い星は右下。

位置は生まれたときの質量で決まる。大質量星は青く明るいだが燃費が悪く、寿命は数百万年。太陽のような黄色矮星は 100 億年。赤色矮星は最も倹約家で、数兆年燃えられる——現在の宇宙年齢よりはるかに長い。質量スライダーを動かして、星が HR 図上を滑り、寿命が伸び縮みするのを見よう。

膨張と別れ

中心の水素がヘリウムに燃え尽きると融合は止まり、中心は収縮するのに外層は膨張する。表面積が増え、単位面積あたりはむしろ冷えて赤くなる——赤色巨星。太陽が赤色巨星になれば水星と金星を飲み込み、地球も危うい。

その先は二つに分かれる。太陽のような中・小質量星は、外層を恒星風の波で穏やかに吹き飛ばし、華麗な惑星状星雲になる。太陽質量の 8 倍以上の巨星は、中心で鉄まで融合を進め、1 秒以内に収縮して跳ね返る——超新星爆発。一瞬、銀河全体より明るく輝き、鍛え上げた重元素を宇宙へ撒く。あなたの体の炭素・酸素・鉄は、みなこうした死から来た。

恒星の残骸

外層が去った後に残った核は、何に支えられてそれ以上坍縮しないのか？太陽質量の1.4倍未満（チャンドラセカール限界）の核は電子縮退圧に支えられ、地球サイズの白色矮星になる——左の青白い残骸で、表面では炭素と酸素が結晶化しつつある。

より重い核は電子を陽子に押し込み、都市サイズでスプーン一杯が数十億トンもの中性子星になる：真ん中の灯台で、磁極のビームが星の自転とともに深宇宙を掃き、あなたを通過するたびに一つのパルスになる。さらに重いと中性子すら支えきれない——右の光の環の内側は事象の地平面で、物質が螺旋を描いて落ちていき、光さえ逃げられない。

HR 図上の旅

HR図の横軸は表面温度（注意：左ほど高い）、縦軸は光度（対数）。今それがあなたの前に立っている：実在の恒星は光る球だ——太陽は中央、ベテルギウスは右上（冷たいが巨大なので明るい）、シリウスBは左下（熱いが極小なので暗い）、あの琥珀色の斜めの帯が九割の恒星がいる主系列帯。

進化軌跡を一つ灯して、カーソル星が主系列を出発し、赤色巨星枝へ曲がり、ヘリウム燃焼を経て、最後に白色矮星の隅へ落ちるのを追おう。質量を変えていくつか描けば——質量が違えば通る道も着く先も違う。この図は天文学者の地図だ：星の温度と光度を測れば、その星が一生のどの駅にいるか読み取れる。

ブラックホールのかたわらのレンズ

太陽質量の 25 倍以上の星は、死後に恒星質量ブラックホールを残す。ブラックホール自身は光らないが、周囲の時空を曲げ、通る光も曲げる。背後の星空は弧に引き伸ばされ、二重像にねじれ、真正面では一周のアインシュタイン環になる——これが重力レンズ、一般相対性理論の最も直感的な検証の一つだ。

地平面の外、シュワルツシルト半径の 1.5 倍のところに光子球がある。光はブラックホールの周りを回れる。画面中央の黒い影は地平面よりはるかに大きい（半径約 2.6 倍）。縁の細く明るい環は、ブラックホールを一周して逃げ出した光だ。周囲にガスがあれば灼熱の降着円盤になる——円盤の裏側はレンズで上へ折り返され、あの有名な光のアーチを描く。2019 年にイベントホライズン望遠鏡が撮した M87* は、まさにこの姿だ。

ほかの実験

ホームに戻る