宇宙の星々は、地上から眺める我々に、散りばめられた宝石の煌めきのように映る。だが、その一部は、文字通り宝石に変化しているかもしれない。ある種の死んだ星が冷えてくると、徐々に硬化し、結晶化するのだ。そして今回、我々の宇宙的な意味で言う裏庭、つまり地球からわずか104光年の距離に、その一例が発見された。それは主に炭素と金属酸素で構成された白色矮星で、その温度・質量プロファイルが、星の中心が密度が高く、硬い、「宇宙のダイヤモンド」へと変化していることを示しているのだ。
この発見は、オーストラリアの南クイーンズランド大学のAlexander Venner氏を中心とする国際的な天文学者のチームによって詳細に報告されている。
星の進化には変化が必要である。明るく輝く星々はいつか燃料を使い果たし、新たな形態へと進化する。太陽質量の約8倍以下の大半の星々にとって、その新たな形態とは白色矮星である。燃料が尽きると、星の外部の物質は周囲の空間に放出され、核は融合によって供給される外向きの圧力がなくなるため、超高密度の物体、つまり白色矮星へと崩壊する。
白色矮星の物質は非常に圧縮されているが、電子縮退圧力と呼ばれる現象によってさらなる崩壊が防がれている。この圧力は、二つの電子が同じ状態を占有することを防ぎ、白色矮星が中性子星やブラックホールのようにさらに密度を増すことを防いでいる。
白色矮星は暗いが、余熱によって微かに輝いている。時間が経つと冷えて、熱を失って炭素の結晶のような冷たい塊になり、黒色矮星と呼ばれる星に進化すると考えられている。ただし、そうなるためには、計算上1,000兆年の時間が必要となるため、現在の宇宙の年齢を考えるとそういった星を発見することは期待できないかもしれない。
我々ができることは、我々の周りに見える白色矮星のコアで始まる結晶化の兆候を確認することだ。
結晶化では、白色矮星の中の炭素原子や酸素原子が自由な動きを止めて結合し、結晶格子に配列する。このとき、エネルギーが放出され、熱として放散される。
このため、白色矮星の冷却には、ある種のプラトーや減速が生じ、星の色や明るさに現れて、実際の年齢よりも若く見えるようになる。
星の明るさを正確に測るには、その星がどのくらい遠くにあるのかを正確に知る必要があるが、近年、GAIA計画による高精度の恒星分布図作成により、それが可能になったのだ。
このため、結晶化した白色矮星をより確実に特定できるようになった。
Venner氏らは、ガイアのデータを使って、他の星との関連性が不明な星を特定し、複数の星系を探すことに成功した。
そして、最近発見された白色矮星が、HD 190412と名付けられた3つの星からなる星系と重力的に結合していることを発見したの。
この白色矮星の発見により、HD 190412 Cと名付けられた三重星系は四重星系となったが、それ以上のことが起こっていたす。その性質は、結晶化プロセスを経ていることを示唆していたのだ。。
その白色矮星の結晶がダイヤモンドかどうかは不明だ。白色矮星の密度は約100万キログラム/立方メートル以上だが、ダイヤモンドの密度は約3,500キログラム/立方メートル程度と言われている。より密度の高い炭素の同素体も存在するが、ダイヤモンドは宇宙空間にたくさん漂っているのである。
また、この星系にある他の3つの星によって、白色矮星の年齢を外部的に制約することができた。これは、結晶化した白色矮星が知られている場合、これまでにはないことだ。
この星系の年齢は約73億年であることが判明した。白色矮星の年齢は約42億年である。その差は31億年で、結晶化速度が白色矮星の冷却速度を約10億年遅らせたことが示唆された、と研究者は述べている。
しかし、この発見と地球に近いということは、このような魅力的なプロセスを評価するために利用できる白色矮星の系が、もっとたくさん存在する可能性があるということだ。
「この星系がわずか32パーセクで発見されたことは、結晶化した白色矮星を含む同様のシリウス型星系が多数存在する可能性を示唆していると考えられます。そのため、今後の発見によって、白色矮星の結晶化モデルをより強力に検証することができるかもしれません」と研究者は書いている。
「我々は、HD 190412系の発見が、結晶化白色矮星を理解するための新しい道を開いたと結論付けている」。
論文
- Monthly Notice of Royal Society: A Crystallizing White Dwarf in a Sirius-Like Quadruple System
参考文献
研究の要旨
最近、白色矮星のコア結晶化の観測的なサインが発見された。しかし、観測された白色矮星と一致するために必要な結晶化動力による冷却遅延の大きさは、従来のモデルで予測されるよりも大きく、白色矮星の内部でエネルギーを放出する追加のメカニズムが必要です。この矛盾を理解するための最も理想的なベンチマークは、外部からの制約を受けることができる全年齢を持つ、明るく近傍の結晶化白色矮星であろう。本研究では、最近発見された白色矮星が三重星HD 190412の結合伴星であり、太陽近傍に新しいシリウス様星系を形成していることを報告する。HD 190412 Cはテフ-質量図上に位置することから、結晶化しつつあることが示唆され、全年齢を外部的に拘束できる結晶化白色矮星として初めて確認された。この白色矮星では、結晶化による冷却遅延が直接検出できる可能性があるため、我々は様々な方法で年齢を制約した。しかし、経験的に得られた年齢異常+3.1 ± 1.9 Gyrは、結局統計的に有意になるには不正確で、白色矮星の結晶化モデルに対する強い制約を与えることはできなかった。しかし、この結果は、22Neの相分離が結晶化した白色矮星の過剰な冷却遅延の原因であるという最近の仮説に適合するものである。この系がわずか32パーセクで発見されたことは、同様のベンチマーク系が一般的に存在する可能性を示唆しており、今後の発見は白色矮星の結晶化モデルに対する強力なテストとなるかも知れない。
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