恒星1

恒星とは？ その１

恒星とは？

• 宇宙における基本要素である。

• 宇宙における位置づけ– 宇宙における、原子炉： 宇宙にエネルギーを供給する

– 核反応を通して、酸素、窒素、鉄などを作る、「元素工場」

– これらの、元素生成物、エネルギーを、星の放射や、超新星爆発により、宇宙に供給

– 銀河の形成・進化に対し恒星の役割が大きい

• これらのことを説明するのが、本講義の大きな主題。

恒星の誕生

分子雲と生まれたばかりの星

• 散開星団の誕生

兄弟の星々（散開星団）

すでに寿命の尽きかかる重い星

ガスが濃く集まっているところNGC3603 http://apod.nasa.gov/apod/ap990604.html

生まれたばかりの星

生まれたばかりの星

原始惑星系円盤（数100AU)http://spacetelescope.org/images/heic0917ab/

生まれたばかりの星

分子雲と分子雲コア

星の生まれる過程

太陽の10倍程度の大きさ

3000K

分子雲コア（～0.1光年）

分子雲（～１００光年）

赤ちゃんの星

核融合の点火

• 光を放射して冷える

• 圧力が低くなり、重力で縮む

• 縮むと、重力エネルギーが解放され熱くなる

3000K

100万K

1000万K核融合の点火

太陽の10倍

太陽の大きさ

6000K

これを、比熱が負という

放射によって、エネルギーが抜ける

負の比熱とは？• 通常の物質----

– 光を放射（エネルギーが抜ける）と冷える： 比熱が正

• 重力で固まっているガス球

– エネルギーが抜けると熱くなる： 比熱が負

少しは縮む

すごく縮む

地上のガス

宇宙のガス球

つまり、恒星とは（その１）• ガス球が、光を出して冷えながら、重力エネルギーを解放して、熱くなる星

• ついに核融合が点火

• もう冷えないので縮まない

• 安定に光り続ける星になる

1600万K

核融合

21 2

12 2 41 14

GMGM M CR R Rπ

≈

2

1 4

GMP C

R≈

3 31 2

43

PV P R C PR N Tπ= ≈ = ℜ

23

2 1 4

2 1

GMC C R N T

R

CGMT

N R

= ℜ

=ℜ

星の中では、重力と圧力が釣り合っている。星の真ん中らへん（R1）で、単位面積の上に乗っているもの(M2)の重さは、中にある質量をM1として、

これが圧力と釣り合っている。

ボイルシャルルの法則より

つまり、TはRoに反比例。星が冷えて収縮すると、その結果温度が上がる。

R1

R

M1

M2

M

全質量　

負の比熱の説明

ここで問題です

• 木星も太陽と同じようなガス球です。なぜ核融合が点火しないのでしょうか？– 天文学科の修士学生の大部分は答えられないと思います。

• 不正確・不十分な答え– 木星は小さいから

– 木星には岩石でできた中心核があるから

• よい答えは、– 木星中心部で、電子ガスが縮退するから

– 縮退： ガスが固体と似た性質を持つこと

星のエネルギー源• 水素の核融合

– エネルギーの単位

• 化学反応のエネルギーの1千万倍

+4H He + 2e 2 2 26.7MeVeν γ→ + + +

水素原子核（陽子） ヘリウム原子核 電子ニュートリノ 光

中性子

陽電子

-19 -201 eV=1.6 10 J=3.82 10 cal× ×

2 2 21H O H O 2.95eV2

+ → +

もうちょっと細かく見ると• pp-chain （陽子・陽子連鎖）

1H +1H 2H+ e+ + ν+ 1.442 MeV2H +1H 3He + γ +5.494 MeV3He +3He 4He + 2 1H + 12.860 MeV

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/energy/ppchain.html

核反応とポテンシャル障壁

＋ ＋

＋

引力（核力）

斥力（電磁気力）

核力の届く距離

引力（核力）のポテンシャル

原子核間の距離

原子核の大きさ

斥力（電磁気力）のポテンシャル

エネルギー

核反応とポテンシャル障壁

引力（核力）のポテンシャル

原子核間の距離

ポテ

ンシャ

ル

原子核の大きさ

斥力（電磁気力）のポテンシャル 水素原子核

高速度で接近した場合

水素原子核

低速度で接近した場合

粒子的描像：水素原子核はぶつかることなく反発する

エネルギー

核反応とポテンシャル障壁

引力（核力）のポテンシャル

原子核間の距離

ポテ

ンシャ

ル

原子核の大きさ

斥力（電磁気力）のポテンシャル

水素原子核

高速度で接近した場合

水素原子核は波の性質も持っている（量子力学）・高速度だと、波が透過しやすい（トンネル効果）

エネルギー

核反応とポテンシャル障壁

引力（核力）のポテンシャル

原子核間の距離

ポテ

ンシャ

ル

原子核の大きさ

斥力（電磁気力）のポテンシャル

水素原子核

低速度で接近した場合

水素原子核は波の性質も持っている・低速度だと、波が透過しにくい（トンネル効果小）

熱核反応• 高温なほど、水素原子核は激しく運動

• より高温なら高速で水素原子核をぶつけることができる

• 核反応が起こる確率は、高温なほど高い

– (反応率∝温度の4乗)

• 水素爆弾は1億度以上といわれている

• 太陽の中心核は1600万度 : 非常に低温

水素原子核

低速度で接近した場合、反発

水素原子核

高速度で接近した場合

最接近時に低確率で反応が起きる

• 通常の物質---- エネルギー供給されると熱くなる：比熱が正

• 重力で固まっているガス球

– エネルギーが抜けると冷たくなる： 比熱が負

核反応の自己調節

膨張するが温度が上がる

膨張すると温度が下がる

地上のガス

宇宙のガス球

より激しい核反応：（正のフィードバック）

核反応が収まる（負のフィードバック）

つまり、恒星とは（その２）• 一旦、核融合が点火すれば・・・

• 核融合が激しくなると

– 温度が下がり、反応が収まる

• 核融合が収まってくると

– 温度が上がり、反応が激しくなる

• このようにして

安定に光り続けるのが恒星

1600万K

核融合

参考文献

• Astronomy Today, Chaisson and Mcmillan 著,Pearson

• 「現代の天文学7 恒星」、野本憲一ほか編、日本評論社

• 「現代天文学講座6 恒星の世界」小平桂一編、恒星社