地球がヘリウムの閃光で終わらないとしたら、何が終わるのでしょうか?

SF小説『流浪地球』では、数百年後に太陽がヘリウムフラッシュを起こすとされており、人類も地球とともに流浪することになる。映画「流転地球2」では、太陽のヘリウムフラッシュの時期が2078年に「進められる」。現実には、今から数百年後にヘリウムフラッシュは起こるのだろうか？そうでなければ、地球は常に安全でしょうか?もし地球が安全でなくなったら、人類はそれにどう対処できるでしょうか?

著者 |王山琴

SF小説『流転地球』では、太陽は数百年後にヘリウムフラッシュを起こして地球を破壊するとされている。人類は生き残るために、惑星エンジンを使って地球を移動させています。映画「流転地球2」では、太陽のヘリウムフラッシュの時期が2078年に直接「進められる」。数百年後に太陽は本当にヘリウムフラッシュを経験するのだろうか？そうでない場合、将来それは起こるでしょうか?ヘリウムフラッシュが短期的に発生しない場合、私たちは別の課題に直面することになるのでしょうか?

この太陽黒点の画像は、2003 年 10 月 28 日に太陽・太陽圏観測衛星 (SOHO) によって撮影されました。画像提供: ESA

ヘリウムフラッシュ：数十億年後

太陽のエネルギーは、その中心核における水素の核融合から生まれます。水素がヘリウムに融合してガンマ線を放出し、それが外側に伝播して通過する物質を加熱し、太陽が光と熱を放射する原因となります。太陽内部の水素核融合の発火温度は約1500万度です。

ヘリウムフラッシュについて多くの人が誤解しているのは、ヘリウムフラッシュは太陽内部の水素がヘリウムに融合するときに発生するというものです。しかし実際には、ヘリウムフラッシュは太陽内部のヘリウムが炭素に融合するときに発生し、ヘリウム融合に必要な温度は約 1 億度です。

太陽の中心部では今も水素の核融合が進行中です。コアのヘリウム核融合を開始するには、コアの水素核融合プロセスが完了するまで待つ必要があります。それからヘリウムフラッシュがあります。

計算によれば、太陽の中心部での水素の核融合は約100億年続くが、太陽が核融合を起こしやすい状態になったのはわずか46億年である。したがって、中心核の水素核融合が終了し、ヘリウム核融合が開始され、ヘリウムフラッシュが発生するまでには、少なくとも 50 億年かかります。

したがって、太陽ヘリウムフラッシュを待つには、50 年以上では足りず、数百年でも足りません。その代わりに、少なくとも50億年は待たなければなりません。

たとえ50億年以上待っても、ヘリウム核融合やヘリウムフラッシュがすぐに見られるわけではない。なぜなら、中心核の水素核融合の終了から中心核のヘリウム核融合の開始までには、約 10 億年の間隔があるからです。

この数十億年の間に、太陽自身の重力による圧縮によってヘリウムが太陽の中心核に融合しました。核の収縮により、重力による位置エネルギーの一部が熱に変換され、核はますます高温になります。ある時点で、中心核の外側の水素が融合し、発生したエネルギーが外部の物質を加熱し、外層が膨張します。

このプロセスが続くと、コアはどんどん小さくなり、質量はどんどん大きくなり、温度はどんどん高くなります。対照的に、太陽の中心核の外側の物質層は膨張し、冷えています。したがって、太陽はまず、太陽の数十倍の明るさを持つオレンジ色の準巨星になります。その後、徐々に赤色巨星となり、太陽の数百倍の明るさになります。

太陽の模式図（左）と、赤色巨星になった後の太陽の想像図（右）。画像提供: NCKU 物理学科

高度に圧縮されたヘリウムコアにも顕著な変化が起こり始めます。コア内の電子が過度に圧縮されるため、強い反発力が発生します。この反発は同種の電荷間の電荷反発ではなく、量子力学的効果によって引き起こされます。 [注1] この反発力を「縮退圧」と呼びます。この段階のヘリウム原子核は縮退したヘリウム原子核になります。

ヘリウム核の質量が太陽の質量の 0.45 倍に達し、ヘリウム核の中心の温度が約 1 億度に達すると、ヘリウム核は核融合反応を開始し、その複合効果として、3 つのヘリウムが 1 つの炭素に融合します。太陽のヘリウム核融合が始まる前、太陽はすでに縮退状態にあり、そのためヘリウム核融合はすぐに暴走してしまいました。

暴走核融合が起こる理由は、縮退したヘリウム原子核の圧力が主に縮退圧力であり、温度に対して非常に鈍感だからです。ヘリウム核融合によりヘリウムコアの温度は急激に上昇しますが、ヘリウムコアの全圧力はわずかにしか増加しないため、膨張しても効果的に冷却されません。温度が上昇するとヘリウムの核融合速度が上がり、その結果温度はさらに上昇し続けます...

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このサイクルにより、ヘリウム核融合のエネルギーが通常の1000億倍以上に劇的に増加し、数分以内にヘリウム核の6％（太陽全体の質量の2.7％）が炭素に燃焼します。この数秒から数分の無駄がヘリウムフラッシュです。

したがって、太陽がヘリウムフラッシュを経験するには少なくとも 60 億年かかります。したがって、太陽が今後数十年から数百年の間にヘリウムフラッシュを経験するという仮定に関して、太陽はそれを3回続けて直接否定するでしょう。「私はそうではない、私はそうではない、ナンセンスを言うな」。

太陽でヘリウム閃光が起こった後、人間はその激しい閃光を観察することができません。ヘリウムフラッシュによって放出されたエネルギーによってヘリウムコアが膨張するため、膨張プロセスでこのエネルギーが消費され、残りのエネルギーは太陽の表面に伝達されません。一方、ヘリウム核は膨張し、縮退物質から通常物質へと変化し、その後、太陽におけるヘリウム核融合は順調に進みます。

したがって、太陽が赤色巨星になったときに地球上にまだ人間と動物が存在すると仮定すると、太陽のヘリウムフラッシュ自体は人間と動物に無害です。したがって、ヘリウムフラッシュによって人類が直ちに滅亡する可能性はありません。人類は、他の恒星の中心核におけるヘリウムの閃光によって引き起こされる短期的な変化をまだ観測していない。 [注2]

しかし、ヘリウムフラッシュは依然として長期的な変動効果を引き起こします。ヘリウム核の急速な膨張により温度が低下し、その結果、殻の水素の温度と圧力が低下し、赤色巨星全体が収縮します。約1万年後には、赤色巨星の半径は当初の2%に縮小し、明るさも当初の2%に低下します。[注3]表面温度もわずかに上昇し、色はオレンジがかった黄色に変わります。太陽は再びオレンジ色の準巨星になります。

夜空で4番目に明るい星であるアークトゥルスは、オレンジがかった黄色の準巨星です。画像クレジット: グレッグ・パーカー

言い換えれば、ヘリウムフラッシュは星全体を膨張させて明るくするだけでなく、星全体を収縮させて暗くすることになります。

本当の太陽の危機

太陽のヘリウムフラッシュが消えるまでに少なくとも60億年かかるので、人類は安心できるのでしょうか？

そうではありません。これは、最初の数億年を除いて、過去数十億年にわたって太陽の明るさがゆっくりと増加しているためです。太陽が誕生した当初、その明るさは現在の約 85% でした。その後、数億年かけて現在の明るさの 75% まで低下しました。それから約40億年の間に、その明るさは現在の値まで上昇し続けています。今後も太陽の明るさは増していくでしょう。太陽の年齢が約100億歳（今から60億年後）になると、その明るさは下の図の実線で示されるように現在の2倍になります。

過去と未来のほとんどの期間において、太陽の明るさ（実線）は徐々に増加し、半径（長い破線）は徐々に増加し、温度（破線）は100億年間基本的に変化せず、100億年後には減少し始め、赤色巨星になります。横軸は時間で、単位は10億年です。縦軸は明るさで、単位は太陽の現在の明るさです。画像クレジット: Ignasi Ribas、arXiv:0911.4872、
土井:10.1017/S1743921309992298、S2CID 119107400

太陽はますます明るくなり、地球はますます熱くなってきています。彗星やその他の天体が初期の地球に大量の水をもたらしたため、地球の表面の約90％が水で覆われていました。太陽の明るさが増し続けるにつれて、その割合は現在約 70% にまで低下しています。

これは長期的な地球温暖化の影響ですが、二酸化炭素の排出ではなく、太陽の明るさの変化によって引き起こされます。

将来、太陽が明るくなるにつれて、地球もさらに温暖化します。大まかな見積もりによれば、100億年から200億年後には、地球上のすべての表面水が蒸発して雲になり、雨は降らなくなり、空は雲で覆われるでしょう。

太陽が膨張して赤色巨星になると、その巨大な明るさが地球を直接焦がすことになる。ヘリウムフラッシュの後、太陽は赤色巨星から準巨星へと縮小します。しばらく休止した後、再び膨張して赤色巨星、あるいは赤色超巨星となり、火星と木星を飲み込むだろう。

その後、太陽は数回の噴火を起こし、噴き出した物質は惑星状星雲となり、残った中心核から放出される光は主にX線と紫外線となる。しばらくすると、中心核は冷えて炭素と酸素からなる白色矮星になります。この段階では、太陽は可視光線帯域では暗すぎるため、太陽系全体が暗くなります。

惑星状星雲である亜鈴星雲は、ヨーロッパ南天天文台（ESO）の超大型望遠鏡（VLT）によって撮影されました。数十億年後には、私たちの太陽もおそらくこのように見えるでしょう。画像提供: ヨーロッパ南天天文台

人類はどこへ向かうのでしょうか？

太陽が赤色巨星に膨張する前から、地球の生存はすでに危険にさらされている。太陽の明るさが増すと地球の温度が上昇し、地球はますます居住不可能な場所になるからだ。

しかし、この変化のプロセスがより顕著になるには少なくとも数億年かかるため、人類はこの数億年の間にさまざまな解決策を考え出すことができます。「私たちには想像する責任があり、それを実現する責任は他の誰かにある。」

まず、人類は火星に移住することができます。火星は今のところまだ比較的寒いです。しかし、太陽が明るくなるにつれて、火星も熱くなります。火星の大気は薄いが、当時の人類は火星上で十分な酸素を生成できるはずだ。

次に、いくつかの宇宙都市を建設し、適切な軌道で太陽の周りを回らせます。

3番目に、他の恒星の周囲に居住可能な惑星を見つけ、そこに集団で移住する。

上記の解決策は永続的な解決策ではありません。なぜなら、太陽が膨張して赤色巨星になると、地球は焼け焦げ、火星は高温になりすぎるからです。したがって、その前に人類は宇宙都市を太陽の周りのより遠い軌道に移動させるか、他の惑星に移住する必要があります。

太陽が白色矮星になったら、人類は他の惑星に移住するしか選択肢がなくなるかもしれない。

しかし、太陽が膨張して赤色巨星となり、最終的に白色矮星になるまでには、少なくとも60億年かかります。その時までに、人類は他の惑星に移住するか、あるいは他のより良い解決策を考え出すことができるようになるはずだ。

荘子は『小瑶有』の中でこう言っています。「朝の茸は新月と満月を知らず、蝉は春と秋を知らない。」人間の短い寿命は、宇宙のさまざまな天体の年齢よりもはるかに短いことは明らかです。彼らの前では、私たちの寿命の長さは、アサギマダラ（太陽を見ると死んでしまう伝説の植物）やセミ（セミの一種）の寿命と何ら変わりません。しかし、人類が初めて文字を発明してからまだ数千年しか経っていないにもかかわらず、人類はすでに宇宙と恒星の進化の謎を大まかに解明している。私たちは当然、子孫の知恵と生存能力にもっと自信を持つべきです。

注記

[注 1] 量子力学におけるパウリの排他原理によれば、同じ種類のフェルミオンが互いに近すぎると、この量子力学的効果が生じ、互いに反発します。電子、陽子、中性子はすべてフェルミオンです。たとえば、白色矮星は電子の縮退圧力によって支えられているコンパクトな星です。

[注2] コアヘリウムフラッシュは観測できないが、ヘリウムシェルで発生する「シェルヘリウムフラッシュ」は観測されている。シェルヘリウムフラッシュにより、星の明るさは数日以内に100～1000倍に増加し、その後急激に低下します。

[注3] テイラー、デイビッド。太陽の終わり、
https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/end.html