超新星爆発を起こさずブラックホールになる星とは？衝撃波が失敗する仕組みを解説

大質量の恒星は、寿命の最後に中心核が鉄で満たされると重力崩壊を起こし、超新星爆発を起こすと考えられています。しかし近年では、明るい超新星爆発を起こさずに、そのままブラックホールになったと考えられる天体の存在も議論されています。

では、なぜ一部の星では超新星爆発が起こらず、衝撃波が弱まってブラックホールへ直接崩壊してしまうのでしょうか。中心核の崩壊から爆発に至るまでの仕組みと、爆発が失敗する条件について解説します。

大質量星が超新星爆発を起こす基本的な流れ

太陽よりはるかに重い恒星では、中心部で水素、ヘリウム、炭素、酸素などの核融合反応が進み、最終的には鉄の中心核が形成されます。

鉄は核融合によってエネルギーを取り出すことができない元素です。そのため、中心核では重力による収縮を支える力が失われ、急激な重力崩壊が始まります。

中心核が押しつぶされると、物質が非常に高密度になり、原子核同士が反発する状態になります。この急激な反発によって衝撃波が発生し、外側の星の物質を吹き飛ばすことで、コア崩壊型超新星爆発になります。

中心核の反発によって生まれた衝撃波は、最初から十分な勢いで外側へ進むわけではありません。実際には、衝撃波は星の内部を進む途中で大量のエネルギーを失います。

その主な原因の一つが、鉄の原子核をさらに分解するためのエネルギー消費です。衝撃波が周囲の物質を加熱すると、鉄の原子核が陽子や中性子へ分解されます。この過程で多くのエネルギーが使われるため、衝撃波は弱まります。

また、中心核周辺から大量に放出されるニュートリノも重要です。ニュートリノの一部が周囲の物質へエネルギーを与えることで衝撃波を再び強める可能性がありますが、この加熱が十分でなければ爆発には至りません。

超新星爆発が失敗する大きな要因として、星の中心核が非常に重いことが挙げられます。中心核の質量が大きすぎる場合、重力崩壊の勢いが強く、衝撃波が外側へ進む前に押し戻されてしまいます。

例えば、非常に重い恒星では中心核の崩壊後に形成された中性子星が、一時的に存在しても自身の重力を支えきれなくなる場合があります。その結果、中性子星はさらに崩壊し、ブラックホールになります。

また、星の内部構造も重要です。同じ質量の星でも、中心部分にどれだけ物質が集中しているかによって、爆発しやすさは変化します。

研究では、単純に「星が重いほど爆発しない」とは考えられていません。重要なのは、中心核の質量、密度分布、回転速度、金属量など、星の内部状態です。

例えば、中心部に物質が集中している星では、崩壊時に大量の物質が中心へ落ち込み、衝撃波を押さえ込む力が強くなります。一方で、条件によってはニュートリノ加熱が効率よく働き、爆発に成功する場合もあります。

そのため現在の研究では、「どの質量以上なら必ずブラックホールになる」という単純な境界線ではなく、星ごとの内部構造を考慮したシミュレーションが行われています。

通常、恒星がブラックホールになる瞬間は直接見ることが難しいと考えられていました。しかし、星が突然暗くなり、その後姿を消す現象などから、爆発を伴わないブラックホール形成の証拠を探す研究が進んでいます。

このような天体は「失敗した超新星（failed supernova）」と呼ばれることがあります。観測では、超新星爆発のような強い光を放たず、恒星が静かに消えていく現象が候補として調べられています。

こうした研究によって、恒星の最期には必ず派手な爆発が起こるわけではなく、宇宙では静かにブラックホールが誕生する場合もあることが分かってきました。

超新星爆発を起こすか、爆発せずブラックホールになるかを分けるポイントは、中心核崩壊で生じた衝撃波が星の外側まで届くほど強く維持できるかどうかです。

衝撃波は鉄の分解や物質の降着によってエネルギーを失います。中心核が重く、重力崩壊の勢いが強い場合には衝撃波が失敗し、星全体がブラックホールへ落ち込む可能性があります。

現在も、どの星が爆発し、どの星が静かにブラックホールになるのかについては研究が続いています。恒星の最期は一種類ではなく、宇宙にはさまざまな終わり方が存在すると考えられています。