恒星の自転

恒星の自転（Stellar rotation）とは、恒星が自身の自転軸の周りを回転する角運動を指します。これは恒星の構造や進化に深く関わる基本的な物理現象です。

自転速度の測定

恒星の自転速度を知る方法はいくつかあります。最も一般的なのは、恒星のスペクトル線を分析する手法です。自転によって恒星表面の一部は観測者に向かって動き（青方偏移）、別の一部は遠ざかります（赤方偏移）。このドップラー効果により、スペクトル線は広がって観測されます。この「線の広がり」の度合いから自転速度を推定できますが、得られる値は自転速度そのものではなく、自転軸と視線の角度（傾斜角 i）に依存する ve・sin i（ve は赤道上での自転速度）という値になります。真の自転速度は、傾斜角が分かれば求められますが、多くの場合はこの最小値である ve・sin i として扱われます。

大気が乱流状態にある巨星などでは、スペクトル線の広がりが自転以外の要因で大きくなるため、自転速度の測定が難しくなります。このような場合、重力レンズ効果を利用して恒星の像が拡大された際に得られる詳細な情報から、乱流と自転の効果を分離して測定する方法が用いられることもあります。

恒星の表面に黒点のような目立った特徴がある場合は、それらの特徴が表面を移動するタイミングを追跡することで自転速度を直接推定することも可能です。ただし、差動運動がある恒星では、特徴の現れる緯度や移動によって測定値が変動する可能性があります。この手法は、磁気活動が活発で高速自転している恒星によく適用されます。

自転の物理的効果

恒星の自転は、その形状や内部構造に影響を与えます。

赤道上の膨らみ: 重力によって質点が中心に集まろうとするため、本来恒星は球形になろうとします。しかし、自転する恒星では遠心力が働くため、赤道方向の実効的な重力が弱まり、赤道部分が膨らんだ楕円体に近い形になります。自転速度が速いほど、この赤道膨らみは顕著になります。極端な例では、高速自転するレグルスAのように、赤道半径が極半径より大幅に大きくなる恒星も存在します。恒星が自壊する速度とは、赤道上での遠心力が重力を上回る限界速度を指し、安定な恒星の自転速度はこの値以下です。

差動運動: 恒星は固体ではないため、内部の層や緯度によって異なる角速度で自転する「差動運動」を示すことがあります。太陽では赤道付近が速く、極に近づくほど遅い自転が見られますが、恒星によっては逆のパターンを示すものもあります。この差動運動は、恒星内部の対流運動によってプラズマが流れ、角運動量が異なる緯度間で再分配されることで生じると考えられています。差動運動によって生じる速度勾配は、恒星内部で磁場を生成する「ダイナモ効果」の重要な要因の一つとされています。

自転の進化

恒星の自転速度は、その誕生から進化の各段階を経て変化していきます。

形成期: 恒星は、ガスと塵の巨大な分子雲が自己重力で収縮して誕生します。この収縮に伴い、角運動量保存により自転速度は急速に増加します。しかし、形成初期の原始星は、自身の磁場と周囲に放出される恒星風の相互作用（磁気ブレーキ）によって、角運動量を失い急速に自転が減速されると考えられています。

主系列期: 主系列星の段階では、恒星風による質量の放出に伴って角運動量も宇宙空間に運び去られ、自転速度は徐々に遅くなっていきます。この自転減速の傾向は、特に低温の主系列星において、恒星の年齢の平方根に反比例するという「スクマニッチの法則」として知られています。この関係を利用して、恒星の自転速度から年齢を推定する「ジャイロクロノロジー」という手法が研究されています。

近接連星系: 2つの恒星が互いに非常に近い軌道を公転する近接連星系では、潮汐力が恒星の自転に影響を与えます。潮汐力によって生じる恒星の歪みが重力の方向からわずかにずれることでトルクが生じ、軌道運動と自転運動の間で角運動量がやり取りされ、互いの自転速度や軌道が変化していきます。また、一方の恒星からもう一方へ質量が流れ込む（質量転移）場合、質量を受け取る側の恒星の自転速度は加速されることがあります。

進化後の恒星（縮退星）: 恒星が核融合を終え、白色矮星、中性子星、ブラックホールといった高密度のコンパクト星へと進化する過程で、その直径は劇的に収縮します。角運動量保存により、この収縮は自転速度の急激な増加をもたらします。
白色矮星: ほとんどの白色矮星は比較的ゆっくり自転していますが、これは元の恒星が外層を失う際に角運動量を持ち去られたためと考えられます。しかし、質量降着などにより角運動量を得ると高速自転し、チャンドラセカール限界（太陽質量の約1.44倍）を超える質量でも崩壊を防ぐ可能性があります。
中性子星: 超新星爆発によって誕生する中性子星は、非常に高速（時に1秒間に数百回転）で自転します。強い磁場を持つ中性子星はパルサーとして観測され、磁場からのエネルギー放出によって徐々に自転が減速していきます。
* ブラックホール: 自転する恒星が崩壊して形成されたブラックホールは、その角運動量を引き継ぎ高速で自転することが多いです。自転するブラックホールの周囲の「作用圏」と呼ばれる特殊な領域では、ペンローズ過程によってブラックホールの回転エネルギーを取り出すことが理論的に可能です。観測によれば、光速の98.7%という極めて高速で自転しているブラックホールの存在も示唆されています。

このように、恒星の自転は、その誕生から死に至るまで、恒星の様々な側面と密接に関わっています。自転速度の測定やその物理的な影響、そして進化に伴う変化を研究することは、恒星という天体の本質を理解する上で非常に重要です。

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