超新星に関する 素朴な疑問

内山茂男

重力崩壊型の超新星はどうして爆発する？

大質量星は、中心付近でどんどん核融合が進み、水素からヘリウム、炭素、酸素、ケイ素などが作られていき、最終的に鉄の核ができます。 鉄といっても硬い鋼鉄などではなく、鉄の原子核が電子とバラバラになってかなり密集しながら飛び回っている超高密度のガス状態です。 重力でつぶれそうになるのを、核融合で生じた熱運動でつぶれないように支えているのです。しかし、鉄以上に核融合をしてもこれ以上のエネルギーは取り出せません。 したがって、鉄の核ができてしまうと、そこでは核融合により熱を生み出すことができません。すると、徐々に熱を外に放出していき、重力でつぶれてしまいます。 このつぶれ方は、徐々にではなく、あるとき一気につぶれる重力崩壊なのだそうです。 鉄の原子核と電子がバラバラになっていたのですが、この一気の収縮により、電子が原子核に吸収されほとんどが中性子となり、 この中性子の縮退圧により重力崩壊が止まるということです。

このときに星全体を吹き飛ばすような超新星爆発を起こすということなのですが、問題はそのメカニズムです。 よく、さまざまな書籍等に、簡単な解説の場合には「中心部が収縮し、その反動で外層が吹き飛びます」のようなことが書いてあります。 この“反動”って何のことでしょう？

もう少していねいな解説の場合には、よく次のような解説が書いてあります。
「重力崩壊により硬い中心核ができ、そこにガスがぶつかることで衝撃波ができ、その衝撃波が表面に到達すると大爆発を起こします。」
衝撃波ができると、そのパワーで外側が吹き飛ぶということですから、“反動”よりわかりやすくなります。しかし、それで最外層以外まで吹き飛ぶのでしょうか？
このメカニズムを簡単に書くと「一気に落下してきたガスが硬い中心核に当たって跳ね返る」ということです。

でも、跳ね返るだけであれば元の高さより高く跳ねないはずです。

したがって、超新星爆発のような大爆発をするということに対して、これでは納得がいきません。ということで、長い間いろいろなことを（勝手に）考えていました。

高校物理の運動量や反発係数の分野では、ジャンピングボールというものが出てきます。これは、2つのボールを縦に重ねて床に落とすもので、 重いボールをを下にして落とすと、床と衝突した直後に上の軽いボールが高く跳ね返るというものです。この原理を簡単に説明して見ましょう。

まず、重いボールが床と衝突して上昇します。それとほぼ同時に軽いボールが落ちてきて重いボールと衝突します。 すなわち、軽いボールは止まっている床との衝突と違い“重いボールとの正面衝突”となるので、より高くまで跳ね返るのです。

もしかしたら、超新星爆発にも同様なメカニズムがあるのかもしれません。そんなことも考えました。でも、これだと外側のガスだけが高速で吹き飛ぶことになります。 やっぱり中心核以外の星全体が大爆発で吹き飛ぶようなことにはならないように思うのです。

そこで、私は考えました。外層ガスが硬い中心核に落ちてくるのですから、ぶつかったところはかなりの高温高圧になるはずです。 それならば、ごく短時間に激しい核融合反応が起きそうです。一気の核融合反応によって星全体が爆発する、というのなら納得できます。 でも、そのようなことが書籍等に書いてあるのを見た覚えがありません（私の読んだ範囲では）。

この疑問に対する説明を書いている本がありました。「マルチメッセンジャー天文学が捉えた新しい宇宙の姿（ブルーバックス）」 （以下「新しい宇宙の姿」）です。この本によると 1000km程度の星の中心部が10km程度に落下して放出される位置エネルギーの1％程度をその外側に渡すことができれば、 太陽質量の10倍程度の質量を3000km/sで膨張させることができる。とのことです。

私は、重力崩壊した星の中心部が中性子星になり「止まっている硬い床」になるというイメージをしていました。 すなわち、上から落ちてくる外層のガスは自分の位置エネルギーの分だけで跳ね返る、というイメージをしていたのです。 実際には、中性子星になるときに放出される位置エネルギーの一部が爆発に使われるということですから、 重力崩壊した中性子星は落下してくる外層ガスを“跳ね返す動きをする床”であり、軽いボールに正面衝突をする重いボールのような役割をするのでしょう。 でも、時間差で次々とガスが落ちてきても跳ね返せるのでしょうか？ その点について、この本には次のようなことも書いてありました。

大きな問題は、落ちてきたガスは中性子星に跳ね返されただけでは、さらに落ちてくる物質に打ち勝って爆発を成功させることができないことです。

やっぱり、中性子星という硬い中心核にぶつかった衝撃だけでは、超新星爆発のような大爆発をすることは難しいようです。 では、どうして爆発できるのかというと中性子星から大量のニュートリノが放出され、これの助けも借りて大爆発をするそうなのです。 ニュートリノと言えば、ほとんど物質と相互作用をせず、地球でもスイスイすり抜けてしまうという素粒子です。それが星の爆発の重要な一因になっているというのですから、 本当にものすごく大量のニュートリノが発生しているのでしょう。これは驚きです。

なお、著者はこのような爆発のメカニズムは「正しい」のでしょうか？ 実は、超新星爆発のメカニズムはまだ完全には明らかになっていません。 とも書いています。

ブラックホールができる時にも爆発？

私にはまだ、疑問がありました。「太陽質量の30倍程度以上の大質量星は、超新星爆発後に中心核は中性子星ではなくブラックホールになる」と書籍等に書かれています。 「質量が大きいために重力が強くなりすぎて、中性子の縮退圧では支えられずにつぶれてブラックホールになってしまう」という説明は納得できるのです。 でも、超新星爆発が「重力崩壊によってできた硬い中心核にぶつかることの衝撃」で起きるという説明から考えると、次の疑問が生まれます。

ブラックホールができるのであれば硬い中心核にぶつかることはないので、爆発しないのでは？

これに関することも書籍「新しい宇宙の姿」に次のように書いてあります。

また、一部の超新星爆発は完全には爆発しないかもしれません。その場合は中性子星にどんどん物質が落ちていき、 最後には中性子星が重くなりすぎてしまい、ブラックホールができるのでしょう。

ということは、まずブラックホールをつくってしまうことはないのでしょうか？

著者によると、まだわからないことがたくさんあり、今後のマルチメッセンジャー天文学の研究が大事なのだそうです。 ちなみに「マルチメッセンジャー天文学」とは電磁波だけでなく、重力波やニュートリノなど様々な情報から研究する天文学のことです。

でも、「完全には爆発しない」というのは観測されているのでしょうか？ まったく爆発しないのであれば、観測されていなくてもおかしくありません。 でも、不完全ながらも爆発したら、星の明るさがある程度変わって、それが観測されることがあるように思います。 超新星（Super Nova）よりすごい極超新星（Hyper Nova）は観測されています。これは特に大質量星の場合だろうということです。 でも、穏やかな超新星（準超新星？）というのは聞いたことがありません。普通の新星とはメカニズムが違うので、光度変化やスペクトルで違いが判るはずです。 新たな疑問です。

自転の影響は？

どんな天体でも自転をしています。角運動量保存の法則により、回転しているものの回転半径が小さくなると回転速度が速くなります。 超新星爆発を引き起こす中心核の重力崩壊ではその自転もものすごく速くなります。中性子星はパルサーとして観測されていますが、 できたての中性子星の自転はとても速く、例えばM1かに星雲の中心のカニパルサーの場合には、自転周期33ms（1秒間に30周）です。

さて、重力崩壊の際に、この回転の速さの影響はどうなっているのでしょうか。単純に考えると、中心核が一気に重力崩壊しても、 そこに落ち込む周囲のガスのある程度は中心核の周りを公転するようになり、 降着円盤のようなものを形成するのではないでしょうか？ 中心星のすぐ近くを高速で周る円盤ができれば、 磁場の影響で公転の極方向に超高速ジェットが放出されそうな気がします。でも、そのような話は読んだことがありません。

もしかしたら、一気にいろんな方向からガスが落ち込んでくるので、きれいに降着円盤を作れないのかもしれません。 また、落ち込んでくるガスが大量なので降着円盤を作れないのかもしれません。でも、高速回転をするはずで、その影響はあるはずです。 でも、その影響について書籍等に書いてあるのを見たことがありません。もしかしたら、あまり影響しないことなのでしょうか？

そこで、簡単な計算をしてみました。条件は次のように仮定しました。

• 半径1000kmの鉄の核が、半径10kmまで収縮し、中性子星になる。
• 中性子星の質量は太陽質量とする。

鉄はどうして豊富？

地球には液体の外核、固体の内核がありますが、どちらも主に鉄でできています。地球には、こんなにもたくさんの鉄があるのです。 宇宙の元素の存在比を見ても鉄は比較的豊富です。

この宇宙が誕生した138億年前には、水素・ヘリウムと少量のリチウムしか作られなかったそうです。 そして、それ以外の元素はすべて恒星の核融合で作られ、それが超新星爆発などで宇宙空間にばらまかれたものです。 最初にも書いたように、恒星の核融合では、基本的に鉄までしか作られません。超新星爆発をするような大質量星では、核融合の最終物質である鉄はたくさん作られます。 したがって、宇宙には鉄が豊富なのです。

というようなことは、いろいろなところに書いてありますし、私もそのような話をすることがあります。 ところが、超新星爆発のメカニズムの説明から考えると不思議なことがあります。

鉄の核は中性子星となってしまい、宇宙空間に鉄はばらまかれないのでは？

鉄のすべてが中心核にあり、その外側には鉄が全くない、ということは考えにくいですから、超新星爆発で鉄も宇宙空間にある程度ばらまかれるでしょう。 しかし、地球の核を見ると、あまりにも鉄が多すぎます。吹き飛ばされる外層部に混じった鉄だけでは足りなさそうに思います。

これに関することも書籍「新しい宇宙の姿」に書いてありました。
超新星はすべて大質量星の重力崩壊によって起きるのではありません。Ia型の超新星は「白色矮星に連星からガスが流れ込み、 質量が太陽の1.4倍程度になると星の中心で核融合が再燃して星全体が吹き飛ぶ」というものです。 白色矮星はもともと炭素や酸素が集まっていますが、これが一気に核融合し、ケイ素や鉄などまで一気に作られるそうです。 中心星を残さずにすべて吹き飛ぶ爆発ですから、ここでできた鉄が宇宙空間にばらまかれます。 計算によると、現在の宇宙にある鉄のほぼ半分が、Ia型の超新星によりもたらされたものだそうです。

爆発で膨張したら赤くならないのか？

一般に気体は膨張すると温度が低下します。赤色巨星も外層部が膨張したことにより表面温度が低下して赤い星になります。 では、超新星はどうなのでしょう？ 私は「爆発すると、表面積が増加するので明るくなり、 さらに膨張すると温度低下の影響が大きくなって暗くなってくる」のようなイメージを勝手に持っていました。 しかし、超新星が赤くなってくるということはあまり聞いた覚えがありません。

これに関することも書籍「新しい宇宙の姿」に次のように書いてありました。
超新星爆発をとてつもなく明るく輝かせる主な熱源は、ニッケル56という元素です。この元素は、超新星爆発の際に星の中心部が超高温になることで作り出されます。 宇宙空間に放出されたニッケル56は、放射性崩壊を起こしてコバルト、さらに鉄へと変化し、崩壊によって放出されるエネルギーで超新星が明るく輝くのです。
この説明には驚きました。爆発させるエネルギーで輝いていたのとは違っていたということです。 もし、⁵⁶Niという元素ができなかったら、超新星爆発はもっと暗い現象だったということですが、⁵⁶Niは0.1〜0.5太陽質量もできるそうです。 さらに、他の元素はそれほど主要な熱源にならないということも驚きです。

Niの同位体をちょっと調べました。安定同位体は主に⁵⁸Niと⁶⁰Niでした。⁵⁶Niは中性子が少ない（陽子が多い）原子核ですから、 β⁺崩壊を2回して、安定な⁵⁶Feになります。 半減期は6日ですから、超新星の減光のペースにだいたい合いそうです。もしも、⁵⁶Niの半減期が3日であったら、 超新星は短期間にさらに明るく輝いたのでしょう。ちなみに、⁵⁶Niが1回崩壊してできる⁵⁶Coの半減期は77日でした。

参考文献：「マルチメッセンジャー天文学が捉えた 新しい宇宙の姿」田中雅臣 著。講談社ブルーバックス。
※ 超新星以外にも、とても興味深い内容が盛りだくさんで、おすすめの1冊です。

この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」116号 （2022年 9月発行）に掲載したものを、一部書き直したものです。