星の年齢はどうやって測定するのでしょうか?あなたが思っているほど若くないかもしれません。

制作：中国科学普及協会

著者: 郭帥帥 (中国科学院雲南省天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

宇宙で瞬く光の点である星は、宇宙における巨大なエネルギー源ですが、巨大なエネルギーは永遠を意味するものではありません。星には寿命があり、その年齢は星自体の運命に関係するだけでなく、宇宙の進化にも影響を与えるため、宇宙において重要かつ盛んに研究されているテーマとなっています。では、星の年齢はどうやって計算するのでしょうか?

私たち自身の年齢を計算する方法とは異なり、恒星の年齢の測定には、一連の複雑な物理的プロセスと観測データに頼る必要があります。天文学者は、星のスペクトル、明るさ、色などの特性、および他の星間物質との相互作用を観察しながら、星の進化を注意深く研究します。これらの観察と研究は、星の年齢を推測するのに役立ちます。

現代天文学では、自転と年齢の関係は星の年齢を決定する重要な方法の一つとなっている。この理論は、星の自転速度と年齢の関係に基づいています。星の自転速度を観測することで、その年齢を推測することができます。

しかし、恒星の近くにホット ジュピターがある場合、その恒星の年齢は依然として正確でしょうか?今日は、この疑問を取り上げ、ホット ジュピター システムの星の正確な年齢を決定する方法を見ていきます。

大マゼラン雲の星形成領域

(画像出典: Wikipedia)

星の年齢はどうやって測定されるのでしょうか?誰が決めるのですか?

星の年齢は常に天文学者の焦点の一つです。

自転年齢の法則は、恒星の自転速度と恒星の年齢の関係に関する重要な法則です。この法則は、1972 年に天文学者スクマニッチによって初めて提唱されました。この法則は、星の自転速度が星の年齢とともにどのように変化するかを説明し、自転速度を使用して星の年齢を推定する方法を提供します。

ショーマンが発見した法則は、一連の観測データと理論的分析に基づいており、主に時間の経過に伴う星の回転速度の変化に焦点を当てています。

彼の研究によると、星の初期の自転速度は非常に速かったが、時間が経つにつれて自転速度は徐々に遅くなったことがわかった。彼はこの現象を、星の自転速度が星の年齢の平方根に反比例するという単純なべき乗法則の関係にまとめました。

この関係は、星が年をとるにつれて、その自転速度が徐々に低下することを意味します。ショーマンの発見により、星の自転速度に基づいて星の年齢を推定する方法が生まれました。

白色矮星：星の生涯の終わり

（写真提供：Veer Gallery）

ショーマンが提唱した自転年齢の法則は、場合によっては比較的正確な年齢の推定値を提供できるが、恒星の初期自転速度、質量、金属存在度など、他の要因の影響も考慮する必要がある。

たとえば、星の寿命はその質量と密接に関係しており、一般的に質量の小さい星は寿命が長く、質量が大きい星は寿命が短くなります。それでも、この法則は星の進化と年齢を研究するための重要な基準点を提供します。

恒星質量の関数としての回転速度の分布

（横軸は速度、縦軸は質量）

（画像提供：中国科学院）

30年以上後、ドイツのライプニッツ天体物理学研究所のバーンズは天体観測を通じて恒星の質量、恒星の自転速度、年齢の間の相関関係を定義しました。観測精度が十分に高ければ、単一の星の計算誤差を 10% 以内に抑えることができます。

ただし、自転と年齢の関係はすべての恒星に当てはまるわけではなく、一般的には太陽の質量の 0.5 倍から 1.5 倍の質量を持つ主系列の恒星に当てはまります。

この質量範囲では、星は角運動量を徐々に失うため、時間の経過とともに回転速度が遅くなります。

この自転の遅くなるのは星の年齢と関係があり、若い星はより速く自転し、古い星はより遅く自転します。研究者たちは、この関係は恒星内部の磁場と対流運動によって引き起こされる可能性があると考えている。

ライプニッツ天体物理学研究所バーベルスベルク研究キャンパス、ドイツ

（画像出典：ドイツ・ライプニッツ天体物理学研究所公式ウェブサイト）

ホットジュピターとは何ですか?木星とどう関係するのでしょうか?

先ほど、単一の星の年齢をその自転から求める方法を紹介しました。しかし、私たちの宇宙では、多くの星は単独で存在しているわけではありません。太陽系と同様に、惑星が周囲を回って惑星系を形成しています。

これらの惑星はさまざまな形や大きさをしており、複雑で多様な惑星系を形成しています。その中でもホットジュピターは非常に特殊であり、その存在は惑星形成理論に疑問を投げかけています。次に、この不思議な天体についてさらに詳しく学んでみましょう。

NASAのトランジット系外惑星探索衛星（TESS）チームは、これまでで最も極端な超高温木星の一つを発見した。この木星はわずか16時間で恒星の周りを一周することができる。

(画像出典: The Astronomical Journal)

最初に確認された太陽系外惑星は、1995年にスイスの天文学者ディディエ・ケローとミシェル・マイヨールによって発見され、2人は2019年のノーベル物理学賞を受賞した。

51 ペガスス b と名付けられたこの惑星はホット ジュピターです。それはペガスス座の太陽のような恒星であるペガスス座51番星を周回しています。この発見の影響は広範囲に及ぶ。これは、人々に惑星系の多様性を再考させるだけでなく、太陽系外惑星の探索の新しい時代を切り開きます。

ペガスス座51bは木星に似た巨大ガス惑星ですが、親星ペガスス座51までの距離ははるかに近く、地球と太陽の距離よりもはるかに短いです。この距離は太陽と地球の距離のわずか0.0527倍です。これはどういう意味ですか？

太陽系外惑星 51 Pegasi b とその主星の想像図。

(画像提供: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger)

太陽系で太陽に最も近い惑星である水星は、太陽と地球の距離の 0.387 倍、つまりペガスス座 51b の 7 倍であることを知っておく必要があります。

距離が近いため、より多くの恒星からの放射線を受け、表面温度が1000度以上に達する。非常に高い温度のため大気が厚くなりすぎているため、質量は木星の半分であるにもかかわらず、体積は木星よりも大きいのです。

現在までに200個以上のホット ジュピターが確認されており、そのほとんどは潮汐ロック状態、つまりホット ジュピターの片側が常に恒星を向いている状態にあります。

しかし、この木星のような巨大惑星が親星の周りを回る方法は、科学者のこれまでの理論的予測とは矛盾している。なぜなら、従来の理論によれば、惑星は親星から遠く離れた場所で形成されるはずだからだ。惑星系の最も内側の領域には地球型惑星（地球や火星など）しか存在できず、一方、巨大ガス惑星（木星など）は「雪線」の外側でしか形成できません。

「スノーライン」は、恒星から遠く離れた、巨大な恒星ガスの構成要素であるヘリウムと水素が、恒星風の放射線に吹き飛ばされることなく、ガスと塵の純粋な円盤内に存在できる距離を示す。

そのため、多くの天文学者は、これらのホット ジュピターも、太陽系の木星と同様に、最初に形成されたときは太陽から非常に遠く離れていたが、その後何らかの方法で現在の位置に移動したと信じています。

（上）ディディエ・ケロー（下）ミシェル・マイヨール

（写真提供：新華網）

ホット ジュピターが何であるかがわかったので、ホット ジュピターと木星との最も重要な違いも明らかです。ポイントは「熱さ」にあります。熱くなる理由は、星に近すぎるため、星からの放射線に過度にさらされ、大気が非常に高温に加熱されるためです。

星の回転を変える不思議な力：潮汐力

今では、天文学者が星の自転からその年齢を判断する方法がわかっており、ホット ジュピターが何であるかもわかっています。

さて、元の質問に戻ります。ホット ジュピター システムの場合、自転と年齢の関係から得られる恒星の年齢は依然として信頼できるのでしょうか?答えはもちろんノーです。

恒星と惑星を粒子とみなし、惑星の軌道を円軌道とみなすと、惑星は恒星の周りを等速円運動し、惑星の軌道角運動量は保存されます。

しかし、現実には天体は重力の影響を受けて変形します。現時点では、天体は理想的な均一な球体ではありません。惑星の軌道が変化し、2つの天体間で角運動量が伝達されます。

これについては、以下の図でできるだけ簡単に説明します。

まず、重力によって物体が変形し、潮汐の隆起が生じます。

第二に、天体は、一方が他方から離れ、一方が他方に近づく 2 つの部分として考えることができます。

他の天体に近い部分はより大きな重力を受け、他の天体から遠い部分はより小さな重力を受けます。

図1では、自転速度と公転速度が等しく、恒星や惑星にかかる力の方向は常に中心を指しています。つまり、水平方向には力が働いておらず、つまり恒星と惑星の間で角運動量の伝達はありません。

（画像出典：著者自作）

図 2 では、恒星は惑星の公転よりも速く自転するため、恒星は常に惑星より 1 位相進んでいます。このとき、惑星に作用する f1 と f2 の合成力には、公転の接線方向に沿った成分が含まれます。この要素により、惑星の軌道が上昇します。ニュートンの万有引力の法則から、公転速度が遅くなることが分かります。

星に作用する F1 と F2 の複合力には、星の回転を遅くする右向きの成分があります。このプロセスは、恒星の回転角運動量が惑星の軌道に伝達されるプロセスとして理解できます。

（画像出典：著者自作）

しかし、図3は図2とは逆で、恒星の自転速度は惑星の公転速度よりも遅くなります。同様の分析により、惑星の軌道が低下し、恒星の自転が加速され、角運動量が惑星の軌道から恒星に伝達されることがわかります。

（画像出典：著者自作）

これらのプロセスを簡単にまとめると、遅いプロセスは速いプロセスによって補充される必要があるということです。

星の自転と年齢の関係から、星自体の自転も徐々に減少していくことが分かっています。図 2 と図 1 のプロセスは、最終的には図 2 のプロセスに変わります。現在望遠鏡による観測で得られる情報によると、ホット ジュピター システムの星は一般に高速で回転していることもわかっています。これはまた、ホット ジュピター システムの場合、自転と年齢の関係から得られる恒星の年齢を修正する必要があることも示しています。

WASP-19 の年齢の修正結果によると、WASP-19 は「若くなりすぎた」ようだ。

最近、中国科学院雲南天文台の科学研究者の努力により、WASP-19の年齢が修正されました。この星の伴星はホット ジュピターで、質量は木星よりわずかに大きく、公転周期はわずか 0.79 日です。

このような近い距離は、星の自転に強い潮汐加速効果を生み出す可能性が高い。計算によれば、極端な場合には、このホット ジュピターの存在により、実際には 100 億歳の恒星の年齢が数億年と誤って推定される可能性があることが判明しています。

結論

星の年齢を決定するには、天文学者が観測、シミュレーション、計算を通じてさまざまな方法と理論を使用し、宇宙の光の年齢の謎を解明するために徹底的な研究を継続する必要があります。

星の年齢の探究は、宇宙の進化を理解する手がかりを与えてくれるだけでなく、きらめく宇宙の真珠に対する畏敬の念をさらに深めてくれます。それらは数十億年にわたって存在していたかもしれないし、あるいは数十億年という長い時間の流れの中で徐々に消えていっているかもしれないが、それでも私たちは残存する温度からそれらのライフサイクルを理解することができる。

人生でも同じことが言えます。星の年齢の探究が宇宙の謎を明らかにするのと同じように、私たちも限りある命を大切にすべきです。この世に永遠なものは何もありませんから、限られた人生の中で創造し、探求し、愛し、経験しましょう。すべての星にそれぞれの物語があるように、私たちも広大な宇宙に自分だけの輝く光を残すことができます。