太陽は人間の時間感覚では不変の存在のように感じられますが、星は永遠に同じ姿ではいられません。私たちの太陽は現在、主系列星としての寿命のおよそ半ばにあります。主系列とは、中心部で水素をヘリウムへと核融合させ、そのエネルギーによって長期間安定して輝いている段階のことです。今、私たちに届いている太陽光は、この安定した核融合活動のおかげで生まれています。
しかし、この均衡も永遠には続きません。中心核での水素核融合がやがて枯渇しても、太陽は超新星爆発を起こすことはありません。そのような最期を迎えるには、太陽は質量が足りないのです。その代わり、重力が内側から太陽を作り変え、劇的な変化の連続へと押し出していきます。太陽は大きく膨らんで赤色巨星となり、外層を放出し、最後には白色矮星と呼ばれる高密度で冷えていく残骸だけが残ります。
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なぜ今の太陽は安定しているのか
現在の太陽は「静水圧平衡」と呼ばれる状態にあります。これは、内側へ引き寄せようとする重力と、中心核での核融合によって生じる高温高圧の外向きの圧力とが釣り合っている状態です。太陽の中心部では、水素が絶えずヘリウムへと核融合し、そのたびに莫大なエネルギーが放出されています。
太陽の中心核では、毎秒およそ6,000億キログラムの水素がヘリウムに変わり、そのうち約40億キログラムの質量がエネルギーへと変換されています。そのエネルギーはゆっくりと太陽内部を外側へ向かって伝わり、最終的に私たちが「光球」と呼ぶ可視表面から放射として宇宙空間へ放たれます。
この長く続く段階にあるおかげで、太陽は何十億年もの間、おおむね安定した状態を保ってきました。しかし時間とともに、中心部にはヘリウムが蓄積していきます。やがて太陽は、今のような形で中心核の水素核融合を維持できなくなると考えられています。
太陽は超新星にはならない
星の中には、寿命の終わりに超新星と呼ばれる壮大な爆発を起こすものもありますが、太陽はその仲間には入りません。
太陽の未来は、ある意味ではそれより静かですが、それでも驚くべき変化をたどります。およそ50億年後、中心核の水素核融合は停止すると予想されています。中心に融合による圧力がなくなると、重力を押し返す力がなくなり、中心核は収縮を始めます。この収縮によって、重力エネルギーが解放され、その変化が太陽の次の進化段階を引き起こします。
つまり、太陽の最期は爆発ではなく変身です。内部構造は変わり、明るさは増し、外層は大きく膨張していきます。
赤色巨星期：太陽は大きく膨れ上がる
中心核の水素が使い果たされると、太陽は主系列星の段階を離れます。その後、約10億年かけて亜巨星を経て、赤色巨星へと進化していきます。
赤色巨星とは、外層が大きく膨らんだ状態の星です。太陽の場合、この膨張は極端なものになります。中心部が重力収縮で加熱される一方で、水素はまだ残っている中心核のすぐ外側の「殻」の部分で核融合を続けます。この殻での水素核融合が追加のエネルギー源となり、太陽の光度は劇的に増大します。
光度とは、星が単位時間あたりに放出するエネルギーの総量のことです。赤色巨星への進化の過程で、太陽の光度は現在の1,000倍以上になると考えられています。
赤色巨星分枝の頂点に達したとき、太陽の大きさは現在の約256倍にまで膨れ上がり、その半径はおよそ1.19天文単位に達すると予測されています。天文単位（au）は地球と太陽の平均距離で、およそ1億5,000万キロメートルです。つまりこの段階では、太陽の膨張した外層は、現在の地球の軌道半径より外側にまで広がることになります。
水星と金星は飲み込まれると予想される
太陽が赤色巨星へと膨張するにつれ、太陽系の内側は根本的に姿を変えます。水星と金星は、この過程で太陽に飲み込まれ、破壊されると予想されています。
それは単純に、太陽の外層が今よりはるかに巨大な広がりを持つようになると見込まれているからです。これらの惑星は太陽に近すぎる軌道を回っているため、膨張した太陽の中に呑み込まれてしまうのです。
赤色巨星の段階は、日常感覚からすれば短くありません。太陽は赤色巨星分枝の上でおよそ10億年を過ごし、そのより広い巨星進化の過程全体で、およそ3分の1の質量を失うと見積もられています。
地球はどうなるのか
地球の運命もまた厳しいものです。
ここで紹介しているモデルによれば、まず太陽が質量を失うことで、地球の公転軌道は外側へ広がる可能性があります。星の質量が減ると、その重力は弱まり、周囲を回る天体の軌道は外側へ移動しうるからです。
しかし、それで話が終わるわけではありません。同じモデルによると、その後、潮汐力や、太陽の下部彩層による抵抗の影響で、地球の軌道は再び縮み始めるとされます。潮汐力とは、2つの天体が十分強く相互作用することでエネルギーがやり取りされ、軌道を変化させてしまう重力効果のことです。彩層は光球の上に広がる太陽大気の一層です。
このシナリオでは、約75.9億年後、赤色巨星分枝の頂点付近で地球は最終的に太陽に飲み込まれると見込まれています。水星と金星は、それよりも早い段階で最期を迎えるでしょう。
つまり、たとえ地球の軌道が一時的に外側へ拡大したとしても、それが安全を保証するわけではありません。後になって、膨張した太陽の外層との相互作用が運命を一変させてしまうのです。
太陽内部で起こる激しいヘリウム転換
赤色巨星分枝の後も、太陽の進化はまだ続きます。中心部の条件が整うと、縮退したヘリウム核が「ヘリウムフラッシュ」と呼ばれる急激な核反応で点火すると予想されています。
これは太陽内部で起こる大きな出来事です。推定では、太陽全体の質量の約40%を占める中心核のうち、およそ6%が、トリプルアルファ反応によって数分のうちに炭素へと変換されるとされています。
この後、太陽は赤色巨星としてのピーク時よりも小さくなり、現在の約10倍の大きさ、そして現在の約50倍の光度を持つようになります。この状態で太陽は、およそ1億年にわたって中心核でのヘリウム核融合を続けます。
しかしそれが最終的な安定段階というわけではありません。中心核のヘリウムが燃え尽きると、太陽は再び膨張し、「漸近巨星分枝（AGB）」と呼ばれる段階へ入ります。この時期、太陽は再び大きく、明るくなり、さらに不安定さを増していきます。急速な質量放出や、一定周期で大きさと明るさが一時的に増す熱的パルスが繰り返し起こると考えられています。
外層を脱ぎ捨てる太陽
巨星としての生涯の終わり近くで、太陽は外層のガスを大量に失うと見込まれています。むき出しになった高温の中心核だけが残り、放出された物質は電離して「惑星状星雲」と呼ばれるガスの殻を形作ります。
惑星状星雲という名前は付いていますが、現代の意味での惑星とは直接関係がありません。これは、死にゆく星が放出したガスが光って見える殻状の天体です。太陽の場合、漸近巨星分枝の後の進化は比較的速く進み、光度はほぼ一定のまま、表面温度だけが上昇していくと予想されます。
惑星状星雲として輝く段階自体は、宇宙的な時間感覚ではそれほど長く続きません。形成された星雲は、およそ1万年ほどで宇宙空間へ拡散してしまうと見られています。
白色矮星として残る太陽の残骸
外層をすべて脱ぎ捨てた後に残るのが、太陽の最終的な星としての姿、白色矮星です。
白色矮星は、寿命を終えた星の高密度でコンパクトな中心核の残骸です。もはや内部で核融合は起こっていません。これは太陽の一生における決定的な変化であり、長く続いた「核融合によって輝く星」としての時代が終わることを意味します。
とはいえ、この残骸がすぐに暗闇に消えるわけではありません。最後に残るむき出しの核は、10万Kを超える高温で、現在の太陽質量の約54.05%程度の質量を保持していると推定されています。太陽として活動していた頃に蓄えた熱を外へ放射しながら、まだしばらくのあいだ明るく輝き続けるでしょう。
この冷却の過程は、途方もなく長い時間スケールで進みます。白色矮星は、理論上「ブラックドワーフ」と呼ばれる、ほとんどエネルギーを放射しない極めて冷えた天体へと近づくまで、何兆年もの時間をかけてゆっくりと冷えていくと考えられています。
突然ではなく、長く続く最期
太陽の未来は、「星の死」が必ずしも爆発を意味しないことを思い出させてくれます。太陽の場合、その最期は中心核での核融合バランスが少しずつ崩れていくことによって引き起こされる、長く続く変化の連鎖です。
まず中心核が収縮し、その後、太陽は赤色巨星へと膨張し、光度は現在の1,000倍を超えると予想されています。水星と金星は飲み込まれ、ここで紹介したモデルによれば、いったん外側へ広がった地球の軌道も最終的には内側へ引き戻され、地球もまた太陽に呑み込まれる可能性があります。さらにヘリウム燃焼期と巨星としての不安定な段階を経たのち、太陽は外層を宇宙空間へ放出し、白色矮星としての残骸だけが残ります。
それはきわめて劇的な未来でありながら、どこか優雅でもあります。何十億年ものあいだ地球上の生命を育んできたこの星は、最後に大爆発を起こすのではなく、想像を絶するほど長い時間をかけてゆっくりと冷えていく、熱く高密度な「残り火」としてその一生を締めくくると考えられているのです。