第22章恒星の青年期から老年期までStars from Adolescence to Old Age

The fact that the elements are made in stars over time explains an important difference between globular and open clusters. Hydrogen and helium, which are the most abundant elements in stars in the solar neighborhood, are also the most abundant constituents of stars in both kinds of clusters. However, the abundances of the elements heavier than helium are very different.

元素が時間をかけて星の内部で作られるという事実は、球状星団と散開星団の重要な違いを説明する。太陽近傍の星で最も豊富な元素である水素とヘリウムは、どちらの種類の星団でも、星の最も豊富な構成成分である。しかし、ヘリウムより重い元素の存在量は、大きく異なる。

In the Sun and most of its neighboring stars, the combined abundance (by mass) of the elements heavier than hydrogen and helium is 1–4% of the star’s mass. Spectra show that most open-cluster stars also have 1–4% of their matter in the form of heavy elements. Globular clusters, however, are a different story. The heavy-element abundance of stars in typical globular clusters is found to be only 1/10 to 1/100 that of the Sun. A few very old stars not in clusters have been discovered with even lower abundances of heavy elements.

太陽とその近くの星の多くでは、水素とヘリウムより重い元素を合計すると、質量で星全体の1〜4％を占める。スペクトルによると、散開星団の星の大半でも、物質の1〜4％が重い元素である。しかし球状星団では事情が違う。典型的な球状星団の星では、重元素の存在量は太陽の10分の1〜100分の1しかない。星団に属さない非常に古い星のなかには、重元素の存在量がさらに少ないものも発見されている。

The differences in chemical composition are a direct consequence of the formation of a cluster of stars. The very first generation of stars initially contained only hydrogen and helium. We have seen that these stars, in order to generate energy, created heavier elements in their interiors. In the last stages of their lives, they ejected matter, now enriched in heavy elements, into the reservoirs of raw material between the stars. Such matter was then incorporated into a new generation of stars.

化学組成の違いは、星団が形成されることの直接の帰結である。最初の世代の星は、初めは水素とヘリウムだけを含んでいた。すでに見たように、これらの星はエネルギーを生み出すため、内部でより重い元素を作った。一生の最後の段階には、重元素に富むようになった物質を、星々の間にある原材料の貯蔵庫へ放出した。その物質が、次の世代の星に取り込まれたのだ。

This means that the relative abundance of the heavy elements must be less and less as we look further into the past. We saw that the globular clusters are much older than the open clusters. Since globular-cluster stars formed much earlier (that is, they are an earlier generation of stars) than those in open clusters, they have only a relatively small abundance of elements heavier than hydrogen and helium.

つまり、過去へさかのぼるほど、重元素の相対的な存在量は少なくなるはずである。球状星団が散開星団よりはるかに古いことは、すでに見た。球状星団の星は、散開星団の星よりずっと早い時期に形成された、すなわち前の世代の星なので、水素とヘリウムより重い元素の割合が比較的小さいのだ。

As time passes, the proportion of heavier elements in the “raw material” that makes new stars and planets increases. This means that the first generation of stars that formed in our Galaxy would not have been accompanied by a planet like Earth, full of silicon, iron, and many other heavy elements. Earth (and the astronomy students who live on it) was possible only after generations of stars had a chance to make and recycle their heavier elements.

時間がたつと、新しい星や惑星を作る「原材料」に占める重い元素の割合は増える。したがって、天の川銀河で生まれた第1世代の星には、ケイ素や鉄、そのほか多くの重い元素に富む地球のような惑星は伴っていなかったはずである。何世代もの星が重い元素を作り、それを循環させる時間を経て初めて、地球も、地球に住む天文学の学生も、存在できるようになった。

Now the search is on for true first-generation stars, made only of hydrogen and helium. Theories predict that such stars should be very massive, live fast, and die quickly. They should have lived and died long ago. The place to look for them is in very distant galaxies that formed when the universe was only a few hundred million years old, but whose light is only arriving at Earth now.

現在、水素とヘリウムだけでできた、本当の第1世代の星を探す研究が進められている。理論は、そのような星が非常に大質量で、急速に一生を送り、短期間で死ぬと予測している。それらは遠い昔に生まれ、すでに死んだはずである。探すべき場所は、宇宙がまだ数億歳だったころに形成された、非常に遠い銀河である。その光は、今になってようやく地球へ届いている。

Compared with the main-sequence lifetimes of stars, the events that characterize the last stages of stellar evolution pass very quickly (especially for massive stars). As the star’s luminosity increases, its rate of nuclear fuel consumption goes up rapidly—just at that point in its life when its fuel supply is beginning to run down.

主系列星としての寿命に比べると、恒星進化の最終段階を特徴付ける出来事は、非常に短い時間で進む。大質量星では特にそうである。星の光度が上がると、核燃料の消費速度は急増する。それも、まさに燃料の蓄えが減り始めている時期に起こるのだ。

After the prime fuel—hydrogen—is exhausted in a star’s core, we saw that other sources of nuclear energy are available to the star in the fusion of, first, helium, and then of other more complex elements. But the energy yield of these reactions is much less than that of the fusion of hydrogen to helium. And to trigger these reactions, the central temperature must be higher than that required for the fusion of hydrogen to helium, leading to even more rapid consumption of fuel. Clearly this is a losing game, and very quickly the star reaches its end. As it does so, however, some remarkable things can happen, as we will see in The Death of Stars.

中心核で主な燃料である水素を使い切った後、星にはまずヘリウム、次いでさらに複雑な元素の核融合という、別の核エネルギー源があることを見た。しかし、これらの反応で得られるエネルギーは、水素をヘリウムへ融合するときよりずっと少ないのだ。しかも、それらの反応を始めるには、水素をヘリウムへ融合するときより高い中心温度が必要で、そのため燃料の消費はさらに速くなる。明らかにこれは、いずれ行き詰まる展開であり、星は急速に最期へ達する。とはいえ、その最期には、驚くようなことが起こりえる。「恒星の死」で見ていこう。

In stars with masses higher than about 8 solar masses, nuclear reactions involving carbon, oxygen, and still heavier elements can build up nuclei as heavy as iron. The creation of new chemical elements is called nucleosynthesis. The late stages of evolution occur very quickly. Ultimately, all stars must use up all of their available energy supplies. In the process of dying, most stars eject some matter, enriched in heavy elements, into interstellar space where it can be used to form new stars. Each succeeding generation of stars therefore contains a larger proportion of elements heavier than hydrogen and helium. This progressive enrichment explains why the stars in open clusters (which formed more recently) contain more heavy elements than do those in ancient globular clusters, and it tells us where most of the atoms on Earth and in our bodies come from.

太陽のおよそ8倍を超える質量の星では、炭素、酸素、さらに重い元素が関わる核反応によって、鉄ほど重い原子核まで作ることができる。新しい化学元素を作る過程を元素合成という。進化の後期の段階は、非常に短時間で進む。最終的には、どの星も利用できるエネルギー源をすべて使い切らなければならない。星の多くは、一生を終える過程で、重元素に富む物質の一部を星間空間へ放出する。その物質は、新しい星を作るのに使われる。そのため、次の世代の星ほど、水素とヘリウムより重い元素を多い割合で含む。このような段階的な重元素の増加は、比較的最近生まれた散開星団の星が、古い球状星団の星より重元素に富む理由を説明する。また、地球や私たちの体にある原子の大部分が、どこから来たのかも教えてくれる。

Bryant, G. “The Allure of Wolf-Rayet Stars.” Sky & Telescope (February 2023): 13. On the later evolution of really massive stars.

Bryant, G. “The Allure of Wolf-Rayet Stars.” Sky & Telescope、2023年2月号、13ページ。非常に大質量の星の後期の進化について。

Calderwood, T. “The Great Dimming of Betelgeuse.” Sky & Telescope (March 2021): 14. On the variability of this red giant star.

Calderwood, T. “The Great Dimming of Betelgeuse.” Sky & Telescope、2021年3月号、14ページ。この赤色巨星の変光について。

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Garlick, M. “The Fate of the Earth.” Sky & Telescope、2002年10月号、30ページ。太陽が赤色巨星になると何が起こるか。

Harris, W. & Webb, J. “Life Inside a Globular Cluster.” Astronomy (July 2014): 18. What would night sky be like there?

Harris, W.、Webb, J. “Life Inside a Globular Cluster.” Astronomy、2014年7月号、18ページ。球状星団の内部では、夜空はどのように見えるだろうか。

Kalirai, J. “New Light on Our Sun’s Fate.” Astronomy (February 2014): 44. What will happen to stars like our Sun between the main sequence and the white dwarf stages.

Kalirai, J. “New Light on Our Sun’s Fate.” Astronomy、2014年2月号、44ページ。太陽のような星に、主系列から白色矮星になるまでの間に何が起こるか。

Kruijssen, J. “Relics of a Distant Past.” Sky & Telescope (July 2021): 14. On globular clusters, and what recent observations are showing us about their origin and evolution.

Kruijssen, J. “Relics of a Distant Past.” Sky & Telescope、2021年7月号、14ページ。球状星団と、その起源や進化について近年の観測が示すこと。

Kwok, S. “What Is the Real Shape of the Ring Nebula?” Sky & Telescope (July 2000): 33. On seeing planetary nebulae from different angles.

Kwok, S. “What Is the Real Shape of the Ring Nebula?” Sky & Telescope、2000年7月号、33ページ。惑星状星雲を異なる角度から見ることについて。

Tyson, P. “The Allure of Betelgeuse.” Sky & Telescope (May 2019): 34. On the red supergiant star that will end its life as a supernova.

Tyson, P. “The Allure of Betelgeuse.” Sky & Telescope、2019年5月号、34ページ。超新星として一生を終える赤色超巨星について。