太陽系の巨大惑星、シミュレーションの10回中9回で崩壊

木星、土星、天王星、海王星は長らく、太陽系で最も堅固な仕組みと見なされてきた。その軌道は宇宙の寿命を何度も超えて存続すると予想されていた。だが新たなシミュレーションによれば、太陽そのものが死を迎える過程でこの仕組みを壊す可能性が高く、白色矮星になってからおよそ10億年以内に起きるとみられる。

原因は、太陽がどのように質量を失うかにある。従来の計算では、死にゆく太陽はゆっくりした漏れのように外層を滑らかに放出し、すべての軌道を広げはするものの惑星の秩序は乱さないと仮定していた。カリフォルニア工科大学のコンスタンティン・バティギン（Konstantin Batygin）とジム・フラー（Jim Fuller）、ミシガン大学のフレッド・アダムズ（Fred Adams）による新たな研究は、死にゆく恒星が外層を複数の非対称な噴出として放出することを示す証拠から出発している。噴出のたびに太陽は小さく押され、惑星はそのすべての影響を受ける。

数百通りの未来をシミュレートすると、それらの押し出しは積み重なった。著者らが観測に最も近いと考えるシナリオでは、白色矮星が形成されるまでにシミュレーション上の太陽系の約40%がすでに破綻するか、激しくかき乱されており、約10系に9系は30億年以内に崩壊した。土星が太陽系から完全に放り出された計算もあれば、天王星と海王星が位置を入れ替えた計算もあった。

この結果が成り立つなら、太陽系の終焉は通り過ぎる恒星によってもたらされる遠い偶発事故ではなくなる。それは太陽の死に方そのものの一部となり、ほぼすべての恒星が最終的に白色矮星になるため、この論理は銀河内のほとんどすべての惑星系にも及ぶ。

死にゆく太陽が自らの惑星を揺さぶる理由

およそ50億年後、太陽は赤色巨星へと膨張し、巨星段階を通じて質量の約46%を失う。惑星をつなぎ留める質量が減るため、惑星は外側へ移動する。滑らかな質量損失を想定した場合、各軌道は約1.85倍に拡大し、外側の太陽系は私たちが知る太陽系をより大きく、よりゆっくりにした複製となる。

質量損失が滑らかではないことを示す手がかりは、欧州宇宙機関の恒星地図作成衛星Gaiaから得られている。互いに非常に遠い距離を周回する恒星のペアを追跡した天文学者たちは、生まれたばかりの白色矮星が、毎秒約0.75km、時速にして約2,700kmで蹴られたかのように移動していることを見いだした。恒星があらゆる方向へ均等にガスを放出したなら、反動はまったく生じないはずだ。

フラーが最近提案した枠組みである有力な説明では、赤色巨星の外層は、その外側の層の激しい対流によって駆動される離散的なプルームとして流出する。複数の鏡からの光を組み合わせる望遠鏡はすでに、老化した巨星の周囲に別々に移動する塵の雲を捉えている。プルームの一つひとつが恒星をランダムな方向へわずかに押し、その押し出しが積み重なって観測された反動となる。

惑星にとって、太陽への押し出しはすべての軌道への同時の押し出しである。研究の基準ケースでは、太陽はそれぞれ毎秒数メートルの反動を約4,600回受け、その中央値は約7m/sである。個々の反動はごく小さい。しかし、それぞれの惑星軌道上のランダムな地点で作用するため相殺されず、軌道はさまよい始める。「外層が断片として去ると、すべてが変わる」と著者らは記している。

シミュレーションの方法

研究チームは、天体が相互の重力の下でどう運動するかを計算する広く使われているオープンソースコードreboundを用い、標準的な恒星進化プログラムMESAで構築した太陽進化モデルと組み合わせた。4つの巨大惑星は現在の位置と速度から開始され、太陽はそのモデルの進化経路に沿って質量を失った。

最初に行われたのは対照実験だった。滑らかな質量損失を設定した60回超の計算では、結果は一度も変わらなかった。軌道は拡大し、惑星間の公転周期比は固定されたままで、系は数十億年にわたって安定を保った。

次に研究者らは、質量損失を断片に分けた。放出されるガスの各塊の大きさを太陽質量の1,000万分の1から1万分の1まで変え、噴出が太陽のすべての巨星段階にわたる場合と、漸近巨星分枝と呼ばれる最後の段階だけで起こる場合を変えて、672回のシミュレーションを実行した。その後、通過する恒星やその他の外部擾乱を加えず、各終状態をさらに30億年追跡した。

10¹⁸年から約10億年へ

置き換えられる数値は途方もなく大きい。カオスだけで天王星の軌道を不安定にするには、10¹⁸年、すなわち10億の10億年ほどが必要と見積もられていた。拡大した軌道を格好の標的とする通過恒星を加えると、この推定は300億年から1,000億年へと短縮された。宇宙の年齢は約138億年である。

著者らが支持する較正条件では、太陽系は白色矮星の形成から約10億年後に自力でほころび始める。これは最初の破壊的な通過恒星を待つと予想される時間より100倍早い。最も激しい計算では、海王星の軌道は離心率約0.5まで引き伸ばされ、太陽からの距離は最接近点と最遠点の間で3倍に変動することになる。

問題は、太陽が死を終えるまで待つとは限らない。支持されるシナリオの48回の計算のうち37回では、質量損失が終わる前に軌道が交差し始めた。最も早い例では、太陽が現在の質量の89%を保つ赤色巨星の段階だった。あるケースでは、白色矮星の誕生から250万年以内に土星が放出され、天王星と海王星は互いに固定された状態で残された。

アイザック・ニュートン（Isaac Newton）は、木星と土星の相互重力がやがて惑星の秩序を壊すのではないかと疑った。後にラプラスとラグランジュは、彼らの近似の範囲では軌道は振動するだけであることを示し、3世紀にわたる計算はその結論をますます遠い未来へ押しやってきた。「結局のところ、ニュートンが想定した不安定性は実在する。彼が誤っていたのは、犯人についてだけだった」と著者らは結論づけている。

すべての結果が破壊的だったわけではない。一部の計算では、太陽系にはこれまでなかったリズミカルな軌道パターンである共鳴に惑星のペアが捕捉された。木星と土星が5:2の比になるケース、あるいは海王星が1周するごとに天王星が2周するケースである。672回のシミュレーションのうち8回では、両方のペアが同時に捕捉された。こうした固定された系がより安全だったわけではなく、最も細かく分割した計算では、ほかの系よりわずかに低い頻度でしか生き残らなかった。

シミュレーションで決着していないこと

すべては、誰も直接測定していない量にかかっている。逃げるガスの一吹きがそれぞれどれほど大きいか、という点だ。太陽が外層をその質量の1,000万分の1以下の塊として放出するなら、噴出はおおむね平均化され、太陽系は拡大した自らの複製として生き残る。塊が太陽質量の約10万分の1に達すると、激しい結果が主流となる。

Gaiaが観測した反動から塊の大きさへ至る橋渡しもまた、一つの解釈である。それは反動が多数の独立した放出から生じると仮定している。著者らは、測定された範囲の下限である毎秒0.25kmであっても、塊はすでに激しい領域にあることを意味すると主張する。また、主たるシナリオでは、モデルが最もよく較正されている漸近巨星分枝を越えて噴出を継続させている点にも注意を促している。噴出をその段階だけに限定すると、赤色巨星段階における早期の崩壊はすべてなくなったが、それでも系の83%は30億年以内に不安定化した。

この研究は内側の惑星を対象外としている。追跡したのは4つの巨大惑星だけであり、水星、金星、地球、火星は計算に含まれていない。これまでの研究では、水星自身のリスクは約1%とされている。これは、太陽が現在の水素燃焼段階を終える前に、水星の軌道が不安定になる確率である。

この理論は、天文学者が検証できる予測も示している。死にゆく恒星が日常的に惑星を振り落としているなら、若い白色矮星の周囲には自由浮遊惑星の集団が存在するはずだ。これらのシミュレーションでは、巨大惑星は互いに衝突して砕けるよりも、はるかに頻繁に放出された。また、白色矮星へ落下する破片の大半は巨大惑星ではなく岩石質天体に由来するはずであり、これはこれまで汚染された白色矮星で測定されてきた岩石質物質と一致する。

太陽の死と惑星に関するよくある質問

太陽が死ぬと太陽系は崩壊するのか？

これらのシミュレーションによれば、巨大惑星についてはおそらくそうなる。白色矮星の反動が示唆するように、太陽が外層を数千回の別々の噴出として失うなら、シミュレートされた系の約10系に9系は白色矮星の形成から30億年以内に不安定化した。質量損失が滑らかな場合、惑星は安定を保った。

太陽はいつ赤色巨星になるのか？

およそ50億年後である。太陽はその後、巨星段階を通じて質量の約46%を失い、太陽質量の約0.54倍の白色矮星として終わる。研究では、崩壊はその質量損失の最中、またはその後の数十億年に起きる。

白色矮星の反動とは何か？

恒星が白色矮星になる際に得るように見える小さな速度のことで、広く離れた恒星ペアをGaiaが測定した結果によれば毎秒約0.75kmである。反動は、恒星がガスを不均等に失ったことを意味し、それぞれの不均等な噴出は軌道上の惑星も押し動かす。

土星が本当に太陽系から放り出されることはあり得るのか？

一部のシミュレーションでは、あり得る。ある計算では、土星は白色矮星の形成から250万年以内に放出された。巨大惑星の間では衝突より放出の方が一般的だったため、失われた惑星は自由浮遊世界として銀河を漂うことになる。

次に何が起きるのか

この研究はarXivでのプレプリントに続き、2026年9月にThe Astrophysical Journal Lettersに掲載され、10月12日により広い報道を集めた。その中心的な数値は、白色矮星の反動についてのGaia測定を増やし、巨星がどのようにガスを放出するかについてのモデルを改善することで、さらに精密化できる。著者らはまた、現在白色矮星の周囲で見つかっている惑星と残骸は各恒星がどのように死んだかの記録だと指摘しており、そこで数えられる新たな系の一つひとつが、太陽の巨大惑星が破滅を免れないのか、それとも単に拡大するだけなのかを検証することになる。

参考文献：Batygin et al., “Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea290

タグ: 天文学, 白色矮星, Caltech, Konstantin Batygin, University of Michigan, 太陽