DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

宇宙最初の恒星 銀河系の起源の可能性も

今回は宇宙最初の恒星について書いて行きたいと思う。

宇宙が誕生して以来、多くの恒星が誕生し銀河系は2,000億個もの恒星により形成されている。

更に宇宙には銀河が更に何千億と存在しているので恒星の数は計り知れないが初めに生まれた恒星はどのようになっていたのだろうか?

 

1. ファーストスター

宇宙は今から約137億年も昔に誕生し、現在の宇宙の質量全ては元々は大きさの無い一点に集中していた。

そして、この集中していた質量がある時突然はじけ、宇宙は誕生した。

宇宙が誕生した直後にはビッグバンと呼ばれる現象が発生し、宇宙はすさまじい勢いで膨張し、エネルギーしかなかった状態から素粒子が生まれ、更に素粒子が合体することで陽子や中性子が生まれた(電子は素粒子)。

陽子が生まれたということは軽水素原子核が生まれたと同等であり、更に原子核が融合することによりヘリウムが誕生した。

 

この水素とヘリウムの誕生はこれから起こる現象のにおいて非常に重要であり、これらの原子はお互いに引き合い、段々と巨大化していくことによって、やがては太陽の40倍もの質量となった。

太陽の40倍もの質量を持つと、当然ではあるが核融合反応を引き起こし、これこそが宇宙最初の恒星、つまりファーストスターとなったのである。

そして、恒星は質量が少しでも増加すると中心核の圧力や温度が上昇するために核融合反応が起こる回数が急増する、つまり非常に明るくなります。

太陽の40倍もの質量ともなると光度はとてつもないほど明るくなり、太陽の50万倍程度のエネルギーを放つこととなる。

この強大な光を放つ恒星は初めの内は中心核で水素をヘリウムに変換する主系列星であったがその表面温度は今の太陽とは比較にならないほど高く、50,000℃近くはあったのではないかと推測できる。

そして、これほど膨大なエネルギーを放っていると当然ではあるが中心核の水素を激しく消耗することとなり、誕生後300万年程で中心核の水素は全てヘリウムに変換されたのではないかと考えられる。

水素が枯渇すると核融合の範囲が外側に移る、つまり巨星化が進行することとなり、ファーストスターは超巨星と化すこととなる。

そして、中心核のヘリウムは炭素へと変換され、更に酸素、ネオン、マグネシウム、ケイ素が合成され、これらの元素はファーストスター内で初めて誕生したのではないかと考えられる。

やがて、ファーストスターは誕生後400~500万年程で最期を迎えることとなるがこれほど重い恒星は赤色超巨星になることは無く、LBV(高光度青色変光星)やWR星(ウォルフ・ライエ星)、または極超巨星(ハイパージャイアンと)となり、最終的には鉄が合成され、重力崩壊が起こります。

そして、重力崩壊が起こった後は宇宙で初めての超新星爆発(これほど重いと極超新星爆発)が発生し、中心核はブラックホールと化します。

この時、多数の原子核が生まれ、中には鉄よりも大きいものもあり、これらの原子核が宇宙にまき散らされることとなります。

つまり、宇宙に存在する水素とヘリウム以外の原子はファーストスターによって生み出されたということとなる。

 

ちなみにファーストスターは一つだけではなく、複数誕生しているために宇宙のあらゆる所で極超新星が発生し、このたびにブラックホールと重原子核が形成されている。

そして、この時生じた原子核が新たな恒星を生み出すこととなり、現在のように宇宙には多数の恒星が生まれたこととなる。

太陽も46億年ほど前に発生した超新星爆発から誕生し、太陽は質量がそこまで重くないため今日まで輝くことが出来ている。

 

以上のことよりファーストスターは

  • 水素とヘリウム以外の重元素を生成した
  • 新たな恒星を生み出すきっかけとなった
  • 宇宙初のブラックホールを形成した

ことになったがここで誕生したブラックホールはどうなったかと言うと...

 

 

 

2. ブラックホールはどうなったか

宇宙初の超質量星、ファーストスターは極超新星を誕生から500万年程度で起こし、多数のブラックホールを形成したが実はこのブラックホールは銀河を形成する種になったのではないかと推測できる。

 

銀河系は2,000億個の恒星からなっており、銀河系の中心部はいて座の方向にある。

そして、銀河系の中心部に行けば行くほど恒星の数は密集していく傾向があり、銀河系の中心部には超巨大ブラックホールの存在が確認されている。

実は太陽を始めとした恒星はこの超巨大ブラックホール(いて座A*)の周囲を公転しており、太陽系は銀河の中心部と27,000光年の位置に存在しており、太陽系はこの周囲を2.2億年もの年月をかけて公転している。

また、銀河系の直径は10万光年もあり、半径は5万光年もあるため、中心部のブラックホールの大きさがとてつもなく大きいことは容易に想像でき、太陽質量に換算すると400万倍ほどあると推測されている。

そして、この膨大な質量こそが莫大な数の恒星を集めることとなり、銀河が形成されていると考えられる。

 

では、この超巨大ブラックホールは何が期限かと言うと先ほど挙げたファーストスターではないかと思う。

ブラックホールは他のブラックホールが近づくと、お互い凄まじい力で引き寄せ合い、やがて合体する。

合体したら当然ではあるが2つの質量が合わさることとなり、更に他のブラックホールを引き寄せることとなることは容易に想像できる。

そして、万有引力の法則を元に考えると質量が大きい物体ほど引き寄せる力が強くなるためにブラックホールの合体はより加速することとなる。

やがて、多くのブラックホールが引き合うことで超巨大ブラックホールが誕生し、この超巨大ブラックホールが周りの恒星を集めることで銀河系が誕生するのではないかと考えられる。

宇宙で初めて誕生したブラックホールはファーストスターの超新星によるものであり、これらのブラックホールが合体していき、更にファーストスター後に誕生した質量の大きい恒星も超新星爆発によってブラックホールを形成したならばより加速的になり、最終的に超巨大ブラックホールが誕生することとなる。

 

つまり、銀河系や重元素の誕生はファーストスターによるものであり、ファーストスターこそが現在の宇宙の開拓者であると言っても過言ではない。

また、現在でもとてつもなく低い確率で超質量星が誕生しており、これらの恒星の寿命は極めて短いため、誕生後間もない時間で超新星爆発(早いと言っても数百万年だが)を起こし、ブラックホールを形成し続けている。

ちなみにかつては恒星の質量の限界はファーストスターと同じ太陽の40倍であると考えらえれていたが現在ではそれ以上の質量の恒星も多数発見さえており、例を挙げると

りゅうこつ座ηA(70+30倍)、LBV1806-20(65×2倍)、かじき座S(45倍)等であり、

更に重いものとなるとR136-a1の265倍にも及ぶ。

これらの恒星の寿命は当然ではあるがファーストスターよりも短い...

と思いきや恒星の寿命には下限があり、大体短くても200万年とされているためこれらの恒星が誕生後数十万年で寿命が尽きることは無い。

 

現在では超質量星は非常にまれであったが宇宙が誕生した時は現在よりかはずっと狭い上に極端な環境であったためにこのような超質量星が生まれやすかったと考えられる。

しかし、このことは裏を返すと現在宇宙は膨張し続けているので超質量星は誕生しにくくなりつつある上に超質量星は寿命が極端に短いため、超質量星が生まれにくくなっていることとなり、宇宙の恒星の質量は軽量化が進み、やがては太陽よりも軽い恒星のみになるとも言える。

そして、終には恒星の下限の質量を下回ることとなるため、最後の恒星、つまりラストスターの寿命が尽きた時、宇宙に恒星が誕生することは二度と無くなると思われる。

最終的に宇宙に残るものは重元素とブラックホールのみとなり、そのブラックホールもとてつもない時間をかけた後に蒸発し、消滅するため重元素のみ残ることとなり、その重元素も陽子に寿命が無いならば最も安定な鉄56となる。

つまり、宇宙が膨張し続けた後には鉄56だけが無限とも言える空間の中に漂うことになるであろう。

 

 

以上、ファーストスターと銀河系についてでした。

 

 

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