黒色矮星

黒色矮星とは

黒色矮星（こくしょくわいせい、英語: black dwarf）は、現在の宇宙には存在しないと考えられている、仮説上の天体です。これは、太陽の約8倍以下の質量を持つ恒星がその一生を終える過程で中心に残る「白色矮星」が、さらに長い時間をかけて冷えきった状態を指します。

多くの恒星は、核融合反応でエネルギーを生み出して輝いていますが、その寿命の終わりには燃料を使い果たします。太陽程度の質量の恒星の場合、最終的には外層のガスを放出し、高密度で熱い中心核が白色矮星として残されます。白色矮星はもはや内部で核融合を起こさないため、自身が蓄えた熱を外部へ放射することで徐々に温度を下げていきます。黒色矮星とは、この冷却過程が進み、温度が非常に低くなって電磁波による観測が事実上不可能になった白色矮星の末路として想定されている姿なのです。

白色矮星から黒色矮星へ

太陽の約8倍以下の質量を持つ恒星は、赤色巨星などの段階を経て、最終的に白色矮星になります。白色矮星は内部に核融合の熱源を持たず、放射によってエネルギーを失う一方です。この冷却は非常にゆっくりと進み、天体の温度は時間とともに低下し、放出する電磁波の量も減少していきます。そのため、観測されている白色矮星の中で、より低温なものほど古い天体であると推定できます。実際、表面温度が3900 Kを下回る、110億から120億歳と推定される低温の白色矮星も発見されており、これらの観測は宇宙の年齢を推定する上での重要な手がかりの一つにもなっています。

冷却にかかる時間と現在の宇宙

白色矮星が、電磁波による観測が困難なほど冷え切った黒色矮星の状態に至るまでには、天文学的な、そして現在の宇宙年齢よりもはるかに長い時間が必要だと考えられています。初期の推定では、白色矮星が約5 Kという極低温まで冷えるのに約10の15乗年（1000兆年）が必要とされました。これは、現在の宇宙年齢（約138億年）と比較して桁違いに長い時間です。

さらに、この冷却過程には、宇宙に存在する可能性のあるダークマター（暗黒物質）の性質や、陽子崩壊が起こるかどうかといった、まだ科学的に完全には解明されていない物理現象が影響する可能性も指摘されています。もし、仮説上の冷たい暗黒物質の候補であるWIMPなどが存在し、それが白色矮星と相互作用して熱を生み出す場合、冷却にはさらに長い、例えば10の25乗年といった途方もない時間がかかるかもしれません。また、もし陽子が安定ではなく崩壊する粒子であるならば、陽子崩壊によって放出されるエネルギーが白色矮星を温め続け、完全に冷え切ることを妨げる可能性も考えられています。これらの要因を考慮すると、黒色矮星の誕生は、遠い未来の宇宙での出来事となると予測されています。

私たちの太陽も、約80億年後には白色矮星になると予測されており、その後数兆年以上の時間をかけてゆっくりと冷え、最終的には黒色矮星と呼ばれる状態に達すると考えられています。この状態になった太陽は、目に見える光をほとんど出さなくなるでしょう。

観測の可能性

黒色矮星は、定義上ほとんど電磁波を放射しないため、可視光はもちろん、電波やX線などを用いた通常の観測方法で直接捉えることは極めて困難です。しかし、質量を持っているため、その重力による影響を介して間接的に存在を検出できる可能性があります。

例えば、もし黒色矮星が別の恒星と連星系を構成していれば、その伴星の軌道や固有運動に与える重力的な影響を観測することで、目に見えない黒色矮星の存在を知ることができるかもしれません。また、単独で宇宙空間を漂う黒色矮星についても、その重力によって背景にある別の天体からの光が曲げられる「重力レンズ効果」を利用することで、間接的に検出できる可能性が理論的に考えられています。これは、質量が空間を歪ませることで光の経路が変わる現象を利用するもので、褐色矮星などの暗い天体の検出にも用いられています。

用語に関する補足

なお、「黒色矮星」という言葉は、過去には、質量が太陽の約0.08倍を下回り、水素の核融合を十分に維持できない非常に軽い天体に対して使われた時期がありました。しかし、これらの天体は現在では一般に「褐色矮星」と呼ばれています。褐色矮星は、恒星と巨大惑星の中間のような性質を持つ天体であり、白色矮星が冷却した黒色矮星とは異なる進化経路をたどる天体です。したがって、現在天文学で「黒色矮星」という言葉が用いられる際は、白色矮星の進化の最終段階として想定される仮説上の天体を指すのが一般的です。

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