主系列にいるあいだ、星は中心で水素をヘリウムに変えています。それは中心の水素がなくなるまで続き、あとに残るのは、燃えるほど熱くはないヘリウムの球です。
エネルギーを作らない芯は、自分を支える圧力も作れないので縮みます。縮めば重力のエネルギーが出るので、もう燃えていないのに芯は熱くなっていきます。
その熱は、芯のすぐ外にある、まだ燃えていない水素の殻に届きます。そこで水素が点きます。殻での燃え方は、中心で燃えていたときより激しくなります。下により熱くて濃い芯があるからです。
増えたぶんが外側の層を押しやり、星は元の何十倍から何百倍にも膨らみます。広がった表面は冷えて赤くなります。これが赤色巨星で、HR 図を右上へ動くのがこの動きです。
太陽ほどの質量の星なら、ここでほぼ終わりです。ヘリウムの芯はやがて点いて炭素まで燃えますが、中心の温度がその先へは届きません。
膨らんだ外側の層は、弱くつながっているだけです。層ごとに外れて流れ出し、やがて外側が残らなくなります。むき出しになった芯のまわりで光っている気体を惑星状星雲といいます。18 世紀に小さな望遠鏡で見たときの姿をそのまま名にしただけで、惑星とは何の関係もありません。
数万年ほどで、この殻は宇宙空間へ散ってしまいます。あとに残るのは芯だけで、大きさは地球ほど、質量は太陽の半分ほどです。
核融合はもうなく、新しいエネルギーの元手もありません。これが白色矮星で、ここから先に起きることは冷えることだけです。宇宙がこれまでに過ごした時間より長いあいだ、暗くなり続けます。
白色矮星は自分の重力に対して何かで支えられているはずですが、それは熱ではありません。白色矮星は冷えていっても縮まないので、支えているものは温度が下がっても弱らないものです。
支えているのは電子で、その理由は温度とは関わりがありません。2 つの電子は同じ状態に入れない、という決まりです。詰め込まれると、電子はより大きな運動量の状態へ押し上げられるしかなく、その動きが圧力になります。これを電子の縮退圧といいます。
変わった結果がついてきます。質量を足すほど星は小さくなります。増えた重さに圧力が見合うところまで、余計に押し縮められるからです。関係は R \propto M^{-1/3} です。
さらに詰めると電子は光の速さに近づき、そこから先は圧力の伸びが追いつかなくなります。計算すると、半径は 1.44 M_\odot で 0 に落ちます。これがチャンドラセカール限界で、これより重い白色矮星は存在できません。
8 M_\odot ほどより重い星は、中心が熱いので炭素の先へ進めます。ネオン、酸素、ケイ素と、段を追うごとに速く燃え、最後に鉄を作ります。
鉄は、核融合が割に合わなくなるところです。ここから先は融合させるとエネルギーを出すどころか要ります。次の記事のとおりです。鉄の芯は熱を作らず、縮退圧だけで立っています。まわりの殻はそのあいだも燃え続け、芯の重さを増やしていきます。
芯がチャンドラセカール限界を越えると、落ちます。1 秒足らずで原子核と同じ濃さまで落ち、そこで急に固くなって止まります。
星の残りはまだ落ちてきている途中です。その壁に当たって跳ね返り、外側の層が吹き飛ばされます。壊れたあとは数週間、まわりの銀河ぜんぶに並ぶ明るさで光ります。これが超新星です。
終わり方は 3 通りで、どれになるかは生まれたときの質量で決まります。8 M_\odot ほどまでなら白色矮星、そこから 25 M_\odot ほどまでなら中性子星、それより重ければブラックホールです。境目はおおまかで、何でできているかにもよります。
中性子星は、落ちた芯の電子が陽子に押し込まれて中性子だけが残ったものです。太陽より重い質量が、半径 10 km ほどの中に収まっています。角砂糖ほどの大きさを切り取れば 10 億トンになります。
中性子でも支えきれなければ、ほかに支えるものはなく、落ちるのが止まりません。残るのは光も出られない範囲で、その境目は R_{\mathrm{s}} = \dfrac{2GM}{c^2} です。太陽 1 つぶんの質量なら 3 km ほどになります。
吹き飛ばされたものは消えません。中で作られた元素を抱えたまま星と星のあいだへ戻り、次の世代の星の材料になります。