白色矮星が80億年以上 “年を取らない” ことがある理由を解明

天の川銀河にある恒星の約97%は、最終的に「白色矮星」という天体を残します。白色矮星は核融合反応が停止した “死んだ星” であり、持っていた熱を徐々に放出し冷えていきます。しかし近年、この説明が当てはまらず、数十億年も冷却が停止していると見られる白色矮星が次々と見つかっています。白色矮星の熱は年齢を推定する指標となっているため、 “年を取らない” プロセスがあることは重要です。

ウォーリック大学のAntoine Bédard氏、ビクトリア大学のSimon Blouin氏、およびプリンストン高等研究所の程思浩氏の研究チームは、白色矮星の内部をモデル化した研究を行いました。その結果、固化した小さな塊が浮上することによって生じる重力エネルギーによって、白色矮星の表面温度が80億年以上も一定に保たれるほどの熱が発生することを突き止めました。この結果は、白色矮星の年齢を指標とした様々な研究に影響を与えそうです。

【▲図1: 中心部が固化した白色矮星の想像図。形成直後の白色矮星は全体が “液体” の状態であり、冷えていくに従い中心部から “固体” になっていくと考えられています（Credit: Travis Metcalfe & Ruth Bazinet, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）】 ■「白色矮星」はそれほど “死んだ星” ではない

太陽のような恒星は、中心核で起こる核融合反応によってエネルギーを放出するとともに、重力によって潰れてしまうことを防いでいます。しかし、その源となる元素はいつか枯渇してしまうため、やがて核融合反応が停止し、重力によって潰れてしまいます。最終的な運命は恒星の質量によって異なりますが、太陽の8倍未満の質量を持つ恒星は、1cmのサイコロサイズが1トン以上にもなる高密度な中心核を残すと言われています。これが「白色矮星」です。

白色矮星はその名の通り白く輝いていますが、これは恒星の中心核にあったという名残であり、いわば余熱です。白色矮星は核融合が起こらない “死んだ星” であるため、余熱が徐々に宇宙空間へと逃げ出し、冷えていきます。白色矮星の表面温度と明るさは相対関係となるため、白色矮星の明るさは形成されてからの年数、つまり白色矮星の年齢を反映していると予測されてきました。

しかし、白色矮星についての研究が進むと、そこまで単純ではないことが分かってきました。白色矮星の観測データが増えるに従い、白色矮星の明るさから推定される年齢と、その他の方法（※1）で推定される年齢が大幅にズレているものが次々と見つかるようになったのです。そのような白色矮星は、質量が大きいグループの約6%を占めています。

また、白色矮星の内部は形成当初は “液体” であり、その後 “固体” へと冷え固まることが予想されています。ここでいう液体や固体は比喩表現的ではありますが（※2）、それでも私たちに身近な物質の液体や固体と同じく、相転移によって熱（潜熱）が生じることが予想されています。

このように、白色矮星は従来考えられていたほどには “死んだ星” ではないことが分かってきていますが、それでもこれまでに解明された加熱プロセスでは、せいぜい冷却する時間を10億年程度遅くすることしかできません。数十億年ものズレを説明するには別の知られていないプロセスが必要となります。

※1…例えば、同じ星団内の恒星の年齢から推定された白色矮星の年齢。星団内に存在する恒星はほぼ同時に形成されたとみなされるため、このような推定が可能となっています。

※2…白色矮星を構成する物質は、通常の原子と比べて電子軌道が極限まで縮まっている（縮退している）と予想されています。白色矮星内部の状態を表すために固体や液体という言葉を使う時は、縮退した原子が結晶構造を形成している場合は固体、ランダムである場合は液体と表現しています。

■80億年以上も持続する加熱プロセスを解明

Bédard氏、Blouin氏、および程思氏の研究チームは、白色矮星の内部についてのモデルを構築し、この謎の解明に取り組みました。この研究では、数十億年も安定して続く冷却停止プロセスを探すことにあります。程思氏は2019年に別のプロセスによる数十億年もの冷却停止プロセスを提案したこともありますが、これは非現実的な条件であるとみなされています（※3）。

【▲図2: 従来の白色矮星のモデルでは、内部に固体の大きな塊があると考えられてきました (左側) 。一方で今回の研究では、一部の白色矮星ではより小さな固体の塊が生じ、密度差で固体の浮上と液体の沈降が発生すると示されました (右側) （Credit: Bédard, et al.）】

研究チームはより現実的な説として、白色矮星の内部の固化プロセスをより詳細に検討しました。白色矮星は内部から固体化すると考えられていますが、これまでは大きな塊が中心部に沈んだまま存在するものと考えられてきました。しかし研究チームがより詳細にプロセスを検討すると、従来考えられていたよりもずっと小さな複数の塊が生じることがあることが分かりました。

この固体は1粒1粒が小さい上に、液体に対して密度が低いため、水に対する氷と同じように浮き上がると考えられます。すると、相対的に密度が高い液体の部分は沈み込むため、重力エネルギーが熱へと変換されます。今回のシミュレーションでは、このプロセスが80億年以上も表面温度を維持するほどの熱を発生させることを示しました。

※3…2019年の研究ではネオン22が沈降することによる重力エネルギーが熱源であると推定されていましたが、この説を満たすには重い白色矮星に含まれていると推定される量の5倍も多いネオン22が必要です。

■白色矮星を指標とした天文学の研究に影響

いずれにしても、冷却停止プロセスは白色矮星のごく一部でしか起こりません。今回示された固体の浮上による加熱プロセスがなぜ一部の白色矮星でしか起こらないのかまでは不明ですが、研究チームは白色矮星の形成過程がカギであると考えています。重い白色矮星は恒星の中心核から直接生成されるのではなく、恒星または白色矮星が衝突することで生成されると考えられています。衝突によって白色矮星の内部は激しくかき乱されるため、小さな塊を生じることに繋がるのかもしれません。この仮説は、数十億年も冷却が停止しているとみられる白色矮星が、重い白色矮星の中の約6%という少数派であることと一致しています。

白色矮星の年齢の推定は、例えば近くにある恒星の年齢など、様々な指標に使われています。しかし、冷却停止プロセスは宇宙の年齢である138億年と比べて十分長い80億年以上にわたるため、年齢が推定された白色矮星の中には実際よりももっと古いものが混ざっている可能性があります。今回の研究は、白色矮星の年齢に基づく天文学の研究に大きな影響を与えるかもしれません。

 

Source

Nicole Crozier & Jennifer Kwan. “Discovery tests theory on cooling of white dwarf stars”. (University of Victoria) Antoine Bédard, Simon Blouin & Sihao Cheng (程思浩). “Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars”. (Nature) Pier-Emmanuel Tremblay, et al. “Core crystallization and pile-up in the cooling sequence of evolving white dwarfs”. (Nature) Sihao Cheng (程思浩), Jeffrey D. Cummings & Brice Ménard. “A Cooling Anomaly of High-mass White Dwarfs”. (The Astrophysical Journal) M. E. Caplan, C. J. Horowitz & A. Cumming. “Neon Cluster Formation and Phase Separation during White Dwarf Cooling”. (The Astrophysical Journal Letters)

文／彩恵りり