第23章恒星の死The Death of Stars

Let’s begin with those stars whose final mass just before death is less than about 1.4 times the mass of the Sun (M_Sun). (We will explain why this mass is the crucial dividing line in a moment.) Note that most stars in the universe fall into this category. The number of stars decreases as mass increases; really massive stars are rare (see The Stars: A Celestial Census). This is similar to the music business where only a few musicians ever become superstars. Furthermore, many stars with an initial mass much greater than 1.4 M_Sun will be reduced to that level by the time they die. For example, we now know that stars that start out with masses of at least 8.0 M_Sun (and possibly as much as 10 M_Sun) manage to lose enough mass during their lives to fit into this category (an accomplishment anyone who has ever attempted to lose weight would surely envy).

まず、死の直前の最終的な質量が、太陽の質量（M_Sun）の約1.4倍より小さい星から始めよう。（なぜこの質量が重要な境界となるのかは、まもなく説明する。）宇宙の星の大半が、この分類に入ることに注意してほしい。質量が大きくなるほど星の数は少なくなり、本当に大質量の星はまれである（「恒星――星の世界の実態を調べる」参照）。ほんの一握りの音楽家だけがスーパースターになれる、音楽業界に似ている。さらに、誕生時の質量が1.4 M_Sunをはるかに超えていた星も、多くは死を迎えるまでにこの値まで質量を減らす。たとえば、少なくとも8.0 M_Sun、場合によっては10 M_Sunもの質量で生まれた星でも、一生のうちに十分な質量を失い、この分類に収まることが今ではわかっている。（減量を試みたことがある人なら、きっとうらやむ成果だろう。）

In the last chapter, we left the life story of a star with a mass like the Sun’s just after it had climbed up to the red-giant region of the H–R diagram for a second time and had shed some of its outer layers to form a planetary nebula. Recall that during this time, the core of the star was undergoing an “energy crisis.” Earlier in its life, during a brief stable period, helium in the core had gotten hot enough to fuse into carbon (and oxygen). But after this helium was exhausted, the star’s core had once more found itself without a source of pressure to balance gravity and so had begun to contract.

前章では、太陽ほどの質量を持つ星が、HR図の赤色巨星の領域へ2度目に上り、外層の一部を放出して惑星状星雲を作ったところで、その一生の話を終えた。このとき星の中心核は、『エネルギー危機』のさなかにあったことを思い出してほしい。少し前の短い安定期には、中心核のヘリウムが十分高温になり、炭素や酸素へと融合していた。しかし、そのヘリウムを使い果たすと、中心核は再び、重力を支える圧力の源を失い、収縮し始めたのだった。

This collapse is the final event in the life of the core. Because the star’s mass is relatively low, it cannot push its core temperature high enough to begin another round of fusion (in the same way larger-mass stars can). The core continues to shrink until it reaches a density equal to nearly a million times the density of water! That is 200,000 times greater than the average density of Earth. At this extreme density, a new and different way for matter to behave kicks in and helps the star achieve a final state of equilibrium. In the process, what remains of the star becomes one of the strange white dwarfs that we met in The Stars: A Celestial Census.

この崩壊は、中心核の一生で最後の出来事となる。星の質量が比較的小さいため、より大質量の星のように、次の段階の核融合を始められるほど中心核を高温にはできない。中心核は収縮を続け、ついには水の密度の100万倍近くに達する。これは地球の平均密度の20万倍である。これほど極端な密度では、物質がそれまでとは違う新たな振る舞いを始め、星が最終的なつり合いの状態に達するのを助ける。この過程で、星の残った部分は、「恒星――星の世界の実態を調べる」で出会った奇妙な天体、白色矮星になる。

Because white dwarfs are far denser than any substance on Earth, the matter inside them behaves in a very unusual way—unlike anything we know from everyday experience. At this high density, gravity is incredibly strong and tries to shrink the star still further, but all the electrons resist being pushed closer together and set up a powerful pressure inside the core. This pressure is the result of the fundamental rules that govern the behavior of electrons (the quantum physics you were introduced to in The Sun: A Nuclear Powerhouse). According to these rules (known to physicists as the Pauli exclusion principle), which have been verified in studies of atoms in the laboratory, no two electrons can be in the same place at the same time doing the same thing. We specify the place of an electron by its position in space, and we specify what it is doing by its motion and the way it is spinning.

白色矮星は地球上のどんな物質よりもはるかに高密度なので、その内部の物質は、日常の経験から知っているものとはまったく違う、非常に変わった振る舞いをする。この高密度では重力は途方もなく強く、星をさらに縮めようとする。しかし電子は、いっそう近くへ押し込められることに抵抗し、中心核の内部に強い圧力を生む。この圧力は、電子の振る舞いを定める基本的な規則から生じる。「太陽――核エネルギーの源」で触れた量子物理の規則である。物理学者がパウリの排他原理と呼ぶこれらの規則は、実験室での原子の研究によって確かめられている。それによると、二つの電子が同じ時刻に同じ場所で、同じことをしていることはできない。電子の『場所』は空間内の位置によって指定し、『何をしているか』は運動とスピンの状態によって指定する。

The temperature in the interior of a star is always so high that the atoms are stripped of virtually all their electrons. For most of a star’s life, the density of matter is also relatively low, and the electrons in the star are moving rapidly. This means that no two of them will be in the same place moving in exactly the same way at the same time. But this all changes when a star exhausts its store of nuclear energy and begins its final collapse.

星の内部はいつでも非常に高温なので、原子は電子をほとんどすべて失っている。一生の大半では物質の密度も比較的低く、星の電子は速く動いている。そのため、二つの電子が同じ時刻に同じ場所で、まったく同じように動くことはない。しかし、星が核エネルギーを使い果たし、最後の崩壊を始めると、状況は一変する。

As the star’s core contracts, electrons are squeezed closer and closer together. Eventually, a star like the Sun becomes so dense that further contraction would in fact require two or more electrons to violate the rule against occupying the same place and moving in the same way. Such a dense gas is said to be degenerate (a term coined by physicists and not related to the electron’s moral character). The electrons in a degenerate gas resist further crowding with tremendous pressure. (It’s as if the electrons said, “You can press inward all you want, but there is simply no room for any other electrons to squeeze in here without violating the rules of our existence.”)

中心核が収縮すると、電子はますます狭いところへ押し込められる。やがて太陽のような星は、さらに収縮するには、二つ以上の電子が同じ場所で同じように動いてはならないという規則を破る必要があるほど、高密度になる。このような高密度の気体は『縮退している』という。英語では degenerate と呼ぶが、物理学者が作った用語であり、この語のもう一つの意味である『堕落した』という電子の道徳性とは関係ない。縮退した気体の電子は、さらに詰め込まれることに、非常に大きな圧力で抵抗する。まるで電子たちが、『好きなだけ内向きに押せばいい。でも、僕らの存在の規則を破らずに、ほかの電子がここへ入り込める隙間は、もうどこにもないんだ』と言っているかのようである。

The degenerate electrons do not require an input of heat to maintain the pressure they exert, and so a star with this kind of structure, if nothing disturbs it, can last essentially forever. (Note that the repulsive force between degenerate electrons is different from, and much stronger than, the normal electrical repulsion between charges that have the same sign.)

縮退した電子は、自らが生む圧力を維持するのに熱の供給を必要としない。そのため、このような構造を持つ星は、何も乱すものがなければ、実質的にいつまでも存在し続けられる。（縮退した電子の間の反発力は、同じ符号の電荷の間に働く通常の電気的な反発力とは異なり、それよりはるかに強いことに注意してほしい。）

The electrons in a degenerate gas do move about, as do particles in any gas, but not with a lot of freedom. A particular electron cannot change position or momentum until another electron in an adjacent stage gets out of the way. The situation is much like that in the parking lot after a big football game. Vehicles are closely packed, and a given car cannot move until the one in front of it moves, leaving an empty space to be filled.

縮退した気体の電子も、ほかのどんな気体の粒子と同じように動き回ってはいる。しかし、自由に動けるわけではない。ある電子が位置や運動量を変えるには、隣り合う状態にいる別の電子がどいてくれる必要がある。大きなフットボールの試合が終わったあとの駐車場によく似ている。車がぎっしり詰まっているので、前の車が動いて入れる空間を空けるまで、その後ろの車は動けない。

Of course, the dying star also has atomic nuclei in it, not just electrons, but it turns out that the nuclei must be squeezed to much higher densities before their quantum nature becomes apparent. As a result, in white dwarfs, the nuclei do not exhibit degeneracy pressure. Hence, in the white dwarf stage of stellar evolution, it is the degeneracy pressure of the electrons, and not of the nuclei, that halts the collapse of the core.

もちろん、死にゆく星の中には電子だけでなく原子核もある。しかし、原子核の量子的な性質がはっきり現れるには、もっとはるかに高い密度へ押し込める必要がある。そのため、白色矮星では原子核は縮退圧を生じない。したがって、恒星進化の白色矮星の段階で中心核の崩壊を止めるのは、原子核の縮退圧ではなく、電子の縮退圧である。