The loss of mass by dying stars is a key step in the gigantic cosmic recycling scheme we discussed in Between the Stars: Gas and Dust in Space . Remember that stars form from vast clouds of gas and dust. As they end their lives, stars return part of their gas to the galactic reservoirs of raw material. Eventually, some of the expelled material from aging stars will participate in the formation of new star systems.
英語のヒント 一生を終える星が質量を失うことは、「星と星の間――宇宙のガスと塵 」で扱った巨大な宇宙の物質循環の、重要な一段階である。星はガスと塵の広大な雲から生まれるのだった。星は一生を終えるとき、ガスの一部を銀河の原材料の貯蔵庫へ返す。やがて、年老いた星から放出された物質の一部は、新しい恒星系の形成に加わる。
However, the atoms returned to the Galaxy by an aging star are not necessarily the same ones it received initially. The star, after all, has fused hydrogen and helium to form new elements over the course of its life. And during the red-giant stage, material from the star’s central regions is dredged up and mixed with its outer layers, which can cause further nuclear reactions and the creation of still more new elements. As a result, the winds that blow outward from such stars include atoms that were “newly minted” inside the stars’ cores. (As we will see, this mechanism is even more effective for high-mass stars, but it does work for stars with masses like that of the Sun.) In this way, the raw material of the Galaxy is not only resupplied but also receives infusions of new elements. You might say this cosmic recycling plan allows the universe to get more “interesting” all the time.
英語のヒント しかし、年老いた星が銀河へ返す原子は、最初に受け取ったものと必ずしも同じではない。星は一生の間に、水素やヘリウムを融合して新しい元素を作ってきたからである。さらに赤色巨星段階には、中心部の物質が表面側へくみ上げられ、外層と混ざる。そのため、新たな核反応が起こり、さらに多くの新しい元素が作られることがある。 その結果、これらの星から外へ吹き出す風には、中心核の内部で「新しく鋳造された」原子が含まれる。（これから見るように、この仕組みは大質量星でいっそう効果的に働くが、太陽程度の質量の星でも確かに働く。）こうして、銀河の原材料は補充されるだけでなく、新しい元素も加えられる。この宇宙の物質循環のおかげで、宇宙は絶えず「おもしろさ」を増していく、と言えるかもしれない。
The Red Giant Sun and the Fate of Earth 赤色巨星になる太陽と地球の運命 How will the evolution of the Sun affect conditions on Earth in the future? Although the Sun has appeared reasonably steady in size and luminosity over recorded human history, that brief span means nothing compared with the timescales we have been discussing. Let’s examine the long-term prospects for our planet.
英語のヒント 太陽の進化は、将来の地球の環境にどう影響するのだろうか。人類が記録を残してきた歴史の間、太陽の大きさと光度はかなり安定して見えてきた。しかし、その短い期間は、ここまで論じてきた時間尺度と比べれば、ほとんど意味を持たない。地球の長期的な見通しを調べてみよう。
The Sun took its place on the zero-age main sequence approximately 4.5 billion years ago. At that time, it emitted only about 70% of the energy that it radiates today. One might expect that Earth would have been a lot colder than it is now, with the oceans frozen solid. But if this were the case, it would be hard to explain why simple life forms existed when Earth was less than a billion years old. Scientists now think that the explanation may be that much more carbon dioxide was present in Earth’s atmosphere when it was young, and that a much stronger greenhouse effect kept Earth warm. (In the greenhouse effect, gases like carbon dioxide or water vapor allow the Sun’s light to come in but do not allow the infrared radiation from the ground to escape back into space, so the temperature near Earth’s surface increases.)
英語のヒント 太陽が零歳主系列に到達したのは約45億年前である。その当時に放出していたエネルギーは、現在の約70％にすぎなかった。地球は今よりずっと寒く、海は完全に凍っていたはずだと思えるかもしれない。しかし、もしそうだったなら、地球が誕生して10億年もたたないうちに、なぜ単純な生命が存在したのかを説明しにくくなる。 現在、科学者は、若い地球の大気にははるかに多くの二酸化炭素があり、ずっと強い温室効果が地球を暖かく保っていたのではないかと考えている。（温室効果とは、二酸化炭素や水蒸気のような気体が太陽光を通す一方、地面から出る赤外線を宇宙空間へ逃がしにくくすることで、地表付近の温度が高くなる現象である。）
Carbon dioxide in Earth’s atmosphere has steadily declined as the Sun has increased in luminosity. As the brighter Sun increases the temperature of Earth, rocks weather faster and react with carbon dioxide, removing it from the atmosphere. The warmer Sun and the weaker greenhouse effect have kept Earth at a nearly constant temperature for most of its life. This remarkable coincidence, which has resulted in fairly stable climatic conditions, has been the key in the development of complex life-forms on our planet.
英語のヒント 太陽の光度が増すにつれて、地球の大気中の二酸化炭素は着実に減ってきた。太陽が明るくなって地球の温度が上がると、岩石の風化が速まり、二酸化炭素との反応によって、大気から二酸化炭素が取り除かれる。より暖かい太陽と、より弱い温室効果の組み合わせが、地球の歴史の大部分にわたって、温度をほぼ一定に保ってきた。 かなり安定した気候をもたらしてきた、この見事な符合は、地球上で複雑な生命が発達するうえで鍵となってきた。
As a result of changes caused by the buildup of helium in its core, the Sun will continue to increase in luminosity as it grows older, and more and more radiation will reach Earth. For a while, the amount of carbon dioxide will continue to decrease. (Note that this effect counteracts increases in carbon dioxide from human activities, but on a much-too-slow timescale to undo the changes in climate that are likely to occur in the next 100 years.)
英語のヒント 中心核にヘリウムが蓄積することによる変化のため、太陽は年齢を重ねるほど光度を増し続け、地球にはますます多くの放射が届く。しばらくの間、二酸化炭素の量は減り続けるだろう。 なお、この作用は人間活動による二酸化炭素の増加を打ち消す方向に働くが、その時間尺度はあまりにも遅く、今後100年間に起こりそうな気候変化を元に戻すことはできない。
Eventually, the heating of Earth will melt the polar caps and increase the evaporation of the oceans. Water vapor is also an efficient greenhouse gas and will more than compensate for the decrease in carbon dioxide. Sooner or later (atmospheric models are not yet good enough to say exactly when, but estimates range from 500 million to 2 billion years), the increased water vapor will cause a runaway greenhouse effect.
英語のヒント いずれ、地球が温まることで極の氷が解け、海の蒸発が増える。水蒸気も強力な温室効果ガスなので、二酸化炭素の減少による効果を上回る。遅かれ早かれ、増加した水蒸気が暴走温室効果を引き起こすことになる。大気のモデルは、いつ起こるかを正確に言えるほどにはまだ精密ではないが、推定は5億年後から20億年後の範囲にある。
About 1 billion years from now, Earth will lose its water vapor. In the upper atmosphere, sunlight will break down water vapor into hydrogen, and the fast-moving hydrogen atoms will escape into outer space. Like Humpty Dumpty, the water molecules cannot be put back together again. Earth will start to resemble the Venus of today, and temperatures will become much too high for life as we know it.
英語のヒント 今から約10億年後、地球は水蒸気を失う。上層大気では、太陽光が水蒸気を分解して水素を生じさせ、速く動く水素原子は宇宙空間へ逃げていく。ハンプティ・ダンプティのように、壊れた水分子はもう元どおりに組み立て直せない。地球は現在の金星に似た姿になり始め、私たちが知る生命には、あまりにも高温になっていく。
All of this will happen before the Sun even becomes a red giant. Then the bad news really starts. The Sun, as it expands, will swallow Mercury and Venus, and friction with our star’s outer atmosphere will make these planets spiral inward until they are completely vaporized. It is not completely clear whether Earth will escape a similar fate. As described in this chapter, the Sun will lose some of its mass as it becomes a red giant. The gravitational pull of the Sun decreases when it loses mass. The result would be that the diameter of Earth’s orbit would increase (remember Kepler’s third law). However, recent calculations also show that forces due to the tides raised on the Sun by Earth will act in the opposite direction, causing Earth’s orbit to shrink. Thus, many astrophysicists conclude that Earth will be vaporized along with Mercury and Venus. Whether or not this dire prediction is true, there is little doubt that all life on Earth will surely be incinerated. But don’t lose any sleep over this—we are talking about events that will occur billions of years from now.
英語のヒント ここまでのことはすべて、太陽が赤色巨星になる前に起こる。その後、本当に悪い知らせが始まる。膨張する太陽は水星と金星をのみ込み、太陽の外側の大気との摩擦によって、これらの惑星はらせんを描いて内側へ落ちていき、完全に蒸発する。地球が同じ運命を免れるかどうかは、まだ完全には明らかではない。 この章で述べたように、太陽は赤色巨星になると質量の一部を失う。質量が減れば、太陽が引く重力は弱くなる。その結果、地球の軌道の直径は大きくなるはずである。ケプラーの第3法則を思い出してほしい。しかし、近年の計算では、地球が太陽に生じさせる潮汐による力が逆方向に働き、地球の軌道を縮めることも示されている。そのため、多くの天体物理学者は、地球も水星や金星とともに蒸発すると結論している。 この恐ろしい予測が正しいかどうかにかかわらず、地球上のすべての生命が焼き尽くされることは、ほぼ確実である。とはいえ、これで眠れなくなる必要はない。話しているのは、今から何十億年も先に起こることである。
What then are the prospects for preserving Earth life as we know it? The first strategy you might think of would be to move humanity to a more distant and cooler planet. However, calculations indicate that there are long periods of time (several hundred million years) when no planet is habitable. For example, Earth becomes far too warm for life long before Mars warms up enough.
英語のヒント では、私たちが知る地球の生命を存続させる見込みはあるのだろうか。最初に思い付く方策は、人類を、もっと遠くて涼しい惑星へ移すことかもしれない。しかし計算によると、どの惑星も生命を住まわせられない長い期間があり、その長さは数億年に及ぶ。たとえば、火星が十分暖かくなるよりずっと前に、地球は生命には暑すぎる状態になってしまう。
A better alternative may be to move the entire Earth progressively farther from the Sun. The idea is to use gravity in the same way NASA has used it to send spacecraft to distant planets. When a spacecraft flies near a planet, the planet’s motion can be used to speed up the spacecraft, slow it down, or redirect it. Calculations show that if we were to redirect an asteroid so that it follows just the right orbit between Earth and Jupiter, it could transfer orbital energy from Jupiter to Earth and move Earth slowly outward, pulling us away from the expanding Sun on each flyby. Since we have hundreds of millions of years to change Earth’s orbit, the effect of each flyby need not be large. (Of course, the people directing the asteroid had better get the orbit exactly right and not cause the asteroid to hit Earth.)
英語のヒント もっとよい方法は、地球全体を、太陽から少しずつ遠ざけることかもしれない。NASAが探査機を遠い惑星へ送り出すのに利用してきたのと同じように、重力を使うという考えである。探査機が惑星の近くを飛ぶとき、惑星の運動を利用して探査機を加速・減速させたり、進む方向を変えたりできる。 計算によると、小惑星の進路を変え、地球と木星の間を適切な軌道で往復させれば、木星の軌道エネルギーを地球へ移し、地球をゆっくり外側へ移動させることができる。接近通過のたびに、膨張する太陽から地球を引き離すのだ。地球の軌道を変えるには何億年もの時間があるので、1回の接近通過の効果は大きくなくても構わない。（とはいえ、小惑星を操る人たちには、軌道を正確に合わせて、地球に衝突させないようにしてもらわないと困る。）
It may seem crazy to think about projects to move an entire planet to a different orbit. But remember that we are talking about the distant future. If, by some miracle, human beings are able to get along for all that time and don’t blow ourselves to bits, our technology is likely to be far more sophisticated than it is today. It may also be that if humans survive for hundreds of millions of years, we may spread to planets or habitats around other stars. Indeed, Earth, by then, might be a museum world to which youngsters from other planets return to learn about the origin of our species. It is also possible that evolution will by then have changed us in ways that allow us to survive in very different environments. Wouldn’t it be exciting to see how the story of the human race turns out after all those billions of years?
英語のヒント 惑星を丸ごと別の軌道へ移す計画など、途方もなく思えるかもしれない。しかし、遠い未来の話をしていることを思い出してほしい。もし何かの奇跡で、人類がその長い間うまく共存し、自らを粉々に吹き飛ばさずにいられたなら、技術は現在よりはるかに高度になっているだろう。 人類が何億年も生き延びれば、ほかの星の周囲の惑星や居住施設へ広がっているかもしれない。実際、そのころの地球は、ほかの惑星の若者たちが自分たちの種の起源を学びに戻る、博物館のような世界になっている可能性もある。また、進化によって私たち自身が変わり、まったく異なる環境で生きられるようになっているかもしれない。何十億年もたった後、人類の物語がどうなっているか見られたら、わくわくしないか。