星や惑星の年齢はどうやって測定するのでしょうか?

ハッブル・エクストリーム・ディープ・フィールドは、2014 年に天文学者がハッブル望遠鏡を使って撮影したものです。(画像提供: NASA、ESA)

この記事はもともとThe Conversationに掲載されました。この記事は、このスペースのモノグラフと詳細な分析に掲載されました。

アダム・バーガッサーは、カリフォルニア大学サンディエゴ校の天文学および天体物理学の教授であり、最も低温の恒星、褐色矮星、太陽系外惑星を研究する観測天体物理学者です。

惑星の年齢を測定することは、科学者が惑星がいつ形成され、どのように進化したかを理解するのに役立ちます。また、惑星の場合は、生命が進化する時間があったかどうかも理解するのに役立ちます。

しかし、宇宙空間にある物体の年齢を測定するのは非常に困難です。

私たちの太陽のような星は、数十億年にわたって同じ明るさ、表面温度、半径を維持してきました。惑星の特性（温度など）は、通常、惑星自体の年齢や進化ではなく、その恒星の特性によって決まります。

したがって、星や惑星の年齢を決定することは、誕生から引退までまったく同じように見える人の年齢を推測しようとするようなものです。

星の年齢を推測する

幸いなことに、星の明るさと色は時間の経過とともにゆっくりと変化します。天文学者は非常に精密な機器を使用して、測光データと数学モデルの予測を比較し、星が老化するにつれて何が起こるかを予測し、それによって星の年齢を推定することができます。

星は光を発するだけでなく、回転もします。時間の経過とともに、糸車が摩擦に遭遇してゆっくりと速度が低下するのと同じように、回転速度は低下します。異なる年齢の星の自転速度を比較することで、天文学者は自転速度と年齢の間の数学的関係を導き出すことができます。この方法はジャイロ年代学と呼ばれます。

研究者たちは太陽の年齢を45億8000万年と推定している。 (画像提供: NASA)

星の自転によって、強い磁場や、恒星フレア（恒星の表面で強力なエネルギーと光が爆発する現象）などの磁気活動も発生します。継続的に減少する磁場は、星の年齢を推定するのにも役立ちます。

もう 1 つのより洗練された推定方法は、恒星内部の振動を測定する星震学と呼ばれます。天文学者は、星の内部を通過する際に星の表面で発生する衝撃波を研究します。若い星は古い星とは異なる振動パターンを持っています。このようにして、天文学者は太陽の年齢を約45億8000万年と推定しています。

恒星震学の原理（出典：Wikipedia）

地球の年齢を解明する

太陽系内では、放射性元素が惑星の年齢を決定する鍵となります。この特殊な原子は長い時間をかけてゆっくりと崩壊します。放射性元素は天然に存在する石なので、科学者は石から骨、壺に至るまで、多くの物の年代を判定するのに役立ちます。

この方法を用いて、科学者たちは、知られている中で最も古い隕石が約45億7千万年前のものであり、これは太陽とほぼ同じ年齢であると判定することができた。地球上で発見された最も古い岩石は、約 44 億年前のもので、はるかに新しいものです。同様に、アポロ計画で持ち帰られた月の土壌の分析により、月面で最も古い岩石は46億年前のものであることが判明しました。

月のクレーター（写真提供：Tomekbudujedomek/Moment via Getty Images）

放射性元素の研究は惑星の年齢を決定する強力な方法ですが、通常は手元にいくつかの岩石が必要です。通常、天文学者は惑星の写真を 1 枚しか研究できません。天文学者は通常、クレーターの数を数えることで岩石惑星の年齢を決定します。古い地表には新しい地表よりもクレーターが多くあります。しかし、水、風、宇宙線、火山噴火による溶岩による浸食によって、古い衝突クレーターは簡単に消滅してしまう可能性があります。

これらの方法は木星のような巨大ガス惑星には機能しない。なぜなら、その固体核は外層の大気にしっかりと包まれているからだ。しかし、天文学者は、衛星の衝突クレーターの数を数えたり、ガス惑星が砕け散った特定の隕石の分布を研究したりすることで、ガス惑星の年齢を判定することができます。これは、岩石惑星の放射性元素含有量を測定したり、衝突クレーターを数えたりするような方法と一致しています。

既存の技術の限界により、現時点では太陽系外惑星の年齢を直接測定することはできません。

直接撮影によって発見された太陽系外惑星は、望遠鏡では単なる点として見える（出典：space.com）

これらの推定値はどの程度正確でしょうか?

私たちの太陽系は、正確さを最もよくチェックできる場所です。天文学者は、地球、月、隕石のサンプルに含まれる放射性元素の量を、星震学から導き出された太陽の年齢と比較することができ、その結果は非常によく一致しています。

プレアデス星団やオメガケンタウリなどの星団の星はほぼ同時期に形成されたと一般に考えられているため、これらの星団内の個々の星の年齢は同じであると推定されるはずです。天文学者は、いくつかの星の大気中で、岩石や土壌に含まれる重元素であるウランなどの放射性元素を検出することができます。これらの放射性元素はすでに他の方法によって年齢を推定するために使用されています。天文学者は、惑星の年齢はそれが周回する恒星とほぼ同じであると考えているため、恒星の年齢を推定する方法の改善は、惑星の年齢の研究にも役立つ可能性がある。いくつかの微妙な手がかりを研究することで、主系列星を周回する太陽系外惑星のおおよその年齢の範囲を割り出すことができます。

著者:アダム・バーガッサー

FY: チェン・リー

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