[BizHanKook] 空には色とりどりの星がある。光は温度によって赤、橙、黄、緑、青、藍、紫と、それぞれ異なる波長と色を持っている。星ごとに温度が異なるため、これほど多様な色で輝くのだ。しかし、よく見るとどこか違和感を覚える。確かに虹色のスペクトルには存在するのに、夜空では見当たらない色が一つある。緑色だ。空には赤い星、黄色い星、青い星はすべてあるが、緑色の星だけは存在しない。緑色は星の世界では存在し得ない色として知られてきた。
ところが最近、その常識を覆す興味深い主張が発表された。人の目で見たときに、十分に緑色に見える星が存在するというのだ。さらにはピンク色や紫色の星すら可能だという。一体なぜ天文学者たちは緑色の星は存在し得ないと語ってきたのだろうか？そして、なぜ突然緑色の星が現れたのだろうか？
まずは、なぜ緑色の星がないと言われるのかを見てみよう。太陽のような星の色は、概ね表面温度によって決定される。生ぬるい星は赤や橙色を帯び、さらに熱くなると白に近づき、やがて青みを帯びる。その理由は、星が完全ではないものの、ほぼ理想的な黒体として光を放射しているからだ。
黒体が放出する光のスペクトルは、広い波長にわたって連続的に分布する。温度によって最も多くのエネルギーを放出する波長は異なるが、そのピーク点に該当する波長のみを放出するわけではない。その両側のより短い波長、より長い波長の光も同時に放出する。
太陽も実際に波長ごとの放射エネルギー量をグラフに描くと、最も高いピーク点は緑色の波長付近に位置する。しかし、太陽は緑色には見えない。緑色より波長がわずかに短い青色と、わずかに長い赤色の光も、それに匹敵するほど多く出ているからだ。私たちの目は、これらの光をすべて合わせた結果を色として感じる。緑色と赤色、青色がすべて混ざり合うと、緑色ではなく白色になる。目にある色を識別する3種類の錐体細胞がこれら三原色の光を認識し、脳がそれを合成して全体的な色を作り出す。
そのため、星の温度を変えながら色を比較すると、赤色から緑色ではなく白色を経て青色へと変化する。星が緑色に見えるためには、両側の赤い波長と青い波長では一切光を出さず、ちょうど緑色の波長だけで鋭く光る必要がある。原子が光を放出する「輝線」のような形態であれば可能だ。酸素分子が代表的で、緑色の波長の光のみを選択して放出するため、極地方で緑色のオーロラを見ることができる。しかし、広い波長にわたって柔らかく満遍なく光を放つ星のような黒体放射では不可能だ。そう考えられてきた。
もし、星の大気が特定の波長の光だけを強く吸収するなら話は変わってくる。本来なら赤色、青色、緑色の光がすべて混ざって白色に見えるはずだが、その中から赤色と青色の光だけが再吸収された結果、緑色の光だけが生き残ることができる。特に、太陽のような星が進化した後に残る残骸、白色矮星のような状況では、このような特別な組み合わせが可能だ。
強い重力下にある白色矮星の大気は、非常に高密度に圧縮される。特に十分に冷えたヘリウム大気では粒子が隙間なく詰め込まれ、その中にわずかに混ざった他の元素と強く相互作用する。もちろん一般的な星でも大気中の元素は特定の波長の光を吸収する。スペクトルに暗い吸収線（暗線）を残す。しかし、吸収線が比較的狭ければ、目に見える星の全体的な色には大きな影響を与えない。
ところが、一部の白色矮星ではこの吸収線が広い波長にわたって広がる。すると、星の光の全体的な色の組み合わせが変わり、単に温度だけでは予測できない独特の色彩を作り出せるようになる。
今回の研究は、白色矮星から漏れ出る光と吸収される光を分析し、人間の色彩感覚と直接結びつけた。どの波長の光が漏れ出るかを精巧に計算し、その光を人間の目で見たらどう見えるかを分析したのだ。したがって厳密に言えば、実際の緑色の光を放つ星を写真に撮ったわけではない。単にその星を近くで見たとしたらどう見えるかを再現した研究である。
その主役は WD J1330+6435 だ。表面の有効温度は約4240K（ケルビン）である。太陽より少し生ぬるい白色矮星だ。この星のヘリウム大気にはナトリウムとカリウムの元素が混ざっている。白色矮星の大気で発見されるこのような重い元素は、概ね周囲の惑星に残っていた岩石物質が星に飲み込まれて残った痕跡と推定される。
通常は強い重力のために、このような重い元素は大気の下へと沈んでいく。しかし、その星が現在も周囲に残っている小惑星の残骸まで残らず食い尽くしているなら、絶えず新しい物質が流入し、今でも星の表面にこのような重い元素が多く残っている可能性がある。通常、ナトリウムは589nm付近の黄色い光を吸収する。密度の高い大気では周囲の粒子と相互作用しながら吸収線がより広がり、オレンジ色の方まで強く吸収することができる。これを圧力広がり（pressure broadening）と言う。カルシウムは紫側の光を吸収する。その結果、この星の光のスペクトルの中の色味の比率が変わり、全体的にテニスボールのような黄緑色を呈することになる。100%完璧に緑色の光だけが出るわけではない。オレンジ色と紫色がほとんど消え、残った光が混ざり合うことで、ほのかな緑色が漂う黄緑色に近い色に見えるようになる。
同様の方法でピンク色の星も可能だ。別の白色矮星 WD J0902+2010 は炭素が重要な役割を果たす。冷えた白色矮星のヘリウム層から深い対流が発達し、内部に沈んでいた炭素が外側の大気まで混ざり上がってくる可能性がある。その炭素の一部は高い密度の中で原子2個が結合した C₂ になるのだが、この分子は「スワン・バンド（Swan bands）」と呼ばれる、広い波長にわたる吸収線を作る。炭素を多く含んだ彗星のスペクトルでも際立つ特徴だ。特に白色矮星の大気の高い密度は、この吸収線バンドの位置と形態を変える。その結果、星の光の混合比率が変わり、薄い紫色やピンク色に見えることがある。
さらには別の白色矮星 WD J1011+2845 は、炭素分子の強い吸収線によって可視光のうち短い波長側の光が大きく減少し、濃いサーモンピンク色に見える可能性もある。
このように星の光の色は、単に表面の温度だけでなく、表面の大気を構成している成分によっても大きく変わる。一般的な星の大気は密度が高くないため吸収線があっても大きな影響はないが、白色矮星のように極端に密度の高い星では影響が大きくなる。そのため、漏れ出る光だけでなく、食い込まれた吸収光も全体的な色の配合に大きな影響を与える。どの色の光が出るかだけでなく、どの光が消えたかによって、作られる光の「カクテル」の色が完全に変わるのである。
白色矮星は意外にも、単に白いだけの星ではない。さらには一つの星が「二つの顔」を持つことさえある。最も極端な事例が2023年に知られた、通称「ヤヌス星」だ。1300光年先で3万5000Kで輝いているこの星には、二つの顔を持つ神の名前が付けられた。
この星の明るさは非常に速く変化したが、時間によってスペクトルの様相が異なっていた。ある時は鮮明な水素の吸収線が見えたが、ある時はヘリウムの吸収線が現れた。この変化がわずか15分の周期で速く繰り返された。これは白色矮星の表面大気が速く回転しながら、互いに異なる性質の顔を交互に見せているためである。
追加研究を通じて天文学者たちは、星の表面大気の片側は下のヘリウム層を覆い尽くすほど厚い水素層で覆われているが、もう片側には水素層がなく下のヘリウム層が露出しているためだと推定している。では、なぜ水素層の厚さが片側だけ厚くなったのか？磁場が非対称であるためと推定される。磁場が物質の対流と移動の様相に影響を及ぼし、このように半分ずつ互いに異なる二つの顔を持つヤヌスのような姿を作ったのかもしれない。
このように星の光の色は、非常に複雑で多様だ。通常、星の光の色はその温度だけで決まると考えられているが、大気の成分や密度、磁場のようなより詳細な特徴も全体的な色に影響を及ぼす。星の光の色は、このように星のより細かい物語を覗き見ることができるようにしてくれる。宇宙が美しいのは、星たちが単一の色ではなく、様々な色で共に輝いているからだろう。たとえ宇宙を全体的に見れば果てしない黒色、暗闇だけだとしても、その中で星たちは自分たちのカラフルさを忘れまいと足掻いている。核融合がすべて終わり、死へと向かう過程においてすらもだ。
参考
https://academic.oup.com/rasti/article/doi/10.1093/rasti/rzag069/8914458?login=true
筆者 チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広めるという夢を持つようになった。現在は世宗大学自由専攻学部助教授として、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の役に立たなさについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。