要約:
星が核燃料を使い果たした後、必ずしも壮観な超新星爆発を起こしてその生涯を終えるとは限りません。太陽のような恒星では、通常、外層が剥がれ落ち、地球に近いものの、太陽と同じくらい重い可能性のある高密度の核が残ります。これは白色矮星です。
天文学界は長い間、白色矮星には「チャンドラセカール限界」として知られる、太陽の質量の約 1.4 倍という、超えられない質量の上限があると信じてきました。この限界を超えると、白色矮星は通常、安定した構造を維持できなくなり、重力崩壊や熱核爆発が起こる可能性があります。しかし、インド科学研究所（IISc）のチームによる新しいシミュレーションでは、強い内部磁場がこの限界を変え、一部の白色矮星の質量が太陽の約2.4倍になる可能性があることが判明した。
この研究は、The Astrophysical Journal Letters に掲載されました。研究者らは、強力な磁場が白色矮星の内部をさらに支え、その質量が従来の理論で予想されるよりもはるかに大きい場合でも白色矮星が安定した状態を維持できると考えている。
白色矮星が自身の重力に抵抗できる理由は、主に電子縮退圧力と呼ばれる量子力学的効果に依存しています。しかし、質量が増加し続けると、重力はますます強くなり、最終的にはこのサポート能力を突破します。チャンドラセカール限界は、この物理メカニズムに基づいた理論上の上限です。
研究者らは、強力な磁場がこの従来のモデルに新しい変数を導入する可能性があることを発見しました。白色矮星が伴星から物質を降着させるにつれて、その質量は増加し続け、その内部密度が上昇し、星がさらに収縮します。この圧縮プロセスにより内部磁場が強化される可能性があり、磁場によって生成される余分な圧力が重力に抵抗するのに役立ち、白色矮星がより多くの質量を担えるようになります。
この可能性を検証するために、研究チームはケンブリッジ大学が開発した恒星進化プログラムSTARSを修正し、磁場の影響と白色矮星の冷却過程をモデルに組み込んだ。星がまだ主系列段階にある時点から開始して、白色矮星への進化とその後の伴星からの物質の降着をシミュレートします。
シミュレーション ケースの 1 つでは、太陽の約 8 倍の初期質量を持つ星が、最終的に太陽の約 1.02 倍の質量を持つ炭素酸素白色矮星を形成しました。白色矮星は年間太陽質量の約10億分の1の速度で物質を降着させると、その磁場は徐々に強まり、モデルで計算される安定質量の上限は最終的に太陽質量の約2.4倍に達した。比較として、同様の条件下では、磁場の影響を考慮しない場合、質量の上限は依然として太陽の質量の約 1.4 倍に維持されます。
論文の筆頭著者でインド科学研究所物理学科の博士課程学生であるゼニア・ズライク氏は、この研究の鍵は、超チャンドラセカール質量を持つ白色矮星が理論上存在する可能性があることを証明することだけでなく、より重要なのは、恒星が自然進化を通じて実際にそのような天体を形成できるかどうかを検証することであると述べた。このシミュレーションは、星の主系列段階を白色矮星の形成とその後の降着プロセスに至るまで追跡し、特定の条件下ではこの進化経路が実際に可能であることを示しています。
実際、白色矮星がチャンドラセカール限界を超えるという考えは、天文学者によって数十年にわたって研究されてきました。これまでに天文学者らは、一般的なモデルで予想されるよりもかなり明るい、異常に明るい Ia 型超新星をいくつか観察しました。したがって、これらの爆発は太陽の1.4倍をはるかに超える質量を持つ白色矮星から起こるのではないかと推測する人もいます。一部の理論では、その前の質量が太陽の 2.8 倍近くである可能性さえ示唆されています。
この研究の重要性は、過去の多くの理論計算では超大質量白色矮星が安定を維持できるかどうかに焦点が当てられていたが、新しい研究ではさらに、恒星の進化の過程で白色矮星が実際にどのように形成されるかをシミュレーションしていることである。こうして研究チームは、磁場によって支えられた超大質量白色矮星について、より完全な理論的説明を提供した。しかし、これはそのような天体が宇宙で非常に一般的であることを意味するものではなく、研究ではそれらが実際にどのくらいの頻度で出現するかをまだ決定できていません。
この発見は、天文学者による宇宙の膨張率の測定にも影響を与える可能性があります。
Ia 型超新星は通常、炭素と酸素を含む白色矮星の内部で暴走熱核燃焼が発生したときに発生します。物体の内部の温度と圧力が特定の条件に達すると、炭素元素が発火し、激しい熱核爆発を引き起こす可能性があります。これらのタイプの超新星は、光度曲線によって補正できる比較的安定した輝度特性を備えているため、天文学者は、遠くの銀河までの距離を測定し、宇宙の膨張の歴史を研究するための重要なツールとして長い間使用してきました。
一部の Ia 型超新星が実際に、より質量が大きく、より強い磁場を持つ白色矮星から生じたものである場合、その前駆体は従来のモデルとは大きく異なる可能性があります。これらの違いは超新星爆発の明るさと進化に影響を及ぼし、それによって宇宙距離測定の精度に影響を与える可能性があります。このような超新星の形成メカニズムをさらに理解することは、天文学者が宇宙の膨張を研究するために使用する物理モデルを改善するのに役立ちます。
この研究はまた、宇宙の一見破ることができない物理的限界が、これまで十分に考慮されていなかった要因によって影響を受ける可能性があることを科学者に思い出させました。チャンドラセカール制限は、すべての条件下で簡単に適用できるわけではありません。強力な磁場は、これまで識別が困難だった白色矮星の進化の道を開く可能性があります。
研究論文のタイトルは「磁化主系列星の進化による超チャンドラセカール白色矮星の形成: STARS シミュレーションに基づく新しい質量限界」で、2026 年 10 月 8 日に The Astrophysical Journal Letters に掲載されました。
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