恒星のエネルギー源、恒星の「進化」、銀河

恒星のエネルギー源、恒星の「進化」

• この部分の話をくみたてるうえで、King (2013)の本を参考にした。
• 『図表』では 1章 40-41ページ「HR図と恒星の進化」、42-43ページ「写真で見る星の一生」 参照 (引用しない図もふくめて)
• [注] 天文学(天体物理)の専門分野の慣例として、太陽や恒星の「進化」(evolution) という表現をするが、 生物学でいう Darwin型 の自然選択による進化ではない。 (Darwinよりも古い時代の evolution の一般的意味にはあっているのだと思う。 生物についての現代の表現で近似すれば「変態」というべきかもしれない。)
• 電磁波を出しつづけると、恒星がもつエネルギーは時とともに減っていく。 太陽が現在のいきおいで放射を出せば、2千万年ぐらいで終わるはず。
• 天体のような空間規模や質量の大きい物体では、 自然界の力のうちで、重力がとくに重要となる。
  • 重力は引力だけで、距離のマイナス2乗に比例。
  • 原子核内の陽子・中性子の間ではたらく核力は、距離が遠くなるともっと強く減る。
  • 電磁気力は距離のマイナス2乗に比例することは重力と同じだが、 遠くなると、引力と反発力がうちけしあって、影響はちいさくなることが多い。
• 天体のもつエネルギーのうちで重力エネルギー (重力の位置エネルギー)が重要なので、 「エネルギーを放出すると、温度が上がる」のような一見奇妙な関係がある。 (内部エネルギーがふえるが、重力エネルギーがそれ以上に減って、合計は減っている状況。)
• 太陽など大部分の恒星では、核融合によってエネルギーが供給されている。 水素 (H) 原子核 (つまり、陽子) 4個が、ヘリウム (He) 質量数 4 の原子核 (陽子2個、中性子2個からなる) 1個と、 陽電子とニュートリノになり、光子を出す。 ([(*) 図表 37ページ「太陽のエネルギー」[4]「太陽のエネルギー源」「核融合反応」])。
• 水素を主成分とする恒星のなかで核融合反応がすすむと、 ヘリウムは中心ちかくにあつまり「ヘリウム コア(core)」を形成する。 この段階では、ヘリウムからの核反応はおこらない。 ヘリウムコアは重力で収縮する。その外側で水素が核融合する領域 (envelope) は膨張する。 星の半径は大きくなり、赤色巨星となる。 表面温度は低いが、表面積が大きいので、光度は大きい。 それから、収縮した中心部でヘリウムが核融合し、炭素(C) や 酸素(O) など (最大で 鉄(Fe)まで) がつくられる。 ([(*) 図表 1章 40ページ「HR図と恒星の進化」[2 A]「赤色巨星への進化」「内部構造の進化」])。
• HR図 (第3回教材 [星のあかるさとエネルギーの流れとの関係]のページの「HR図」の節、 [(*) 図表 40ページ [1] 「HR図」]を参照)と、恒星の進化との関係。
  • 恒星はHR図の主系列の中を動くわけではない(主系列中のちがう位置は質量のちがいに関連する)。
  • 恒星は主系列からぬけて赤色巨星になる。
  • 質量の大きい星ほど、主系列星としての寿命が短い。 ([(*) 図表 40ページ [2 B]「恒星の一生」]。)
• 赤色巨星からさきは、恒星の質量によってちがってくる。
  • 太陽ぐらいの質量ならば、白色矮星になる ([(*) 図表 41ページ [3] 「太陽の進化」]、 [(*) 43ページ [2 A] 「それほど重くない星の死」])。
  • もうすこし大きいと、陽子が電子を捕獲して中性子になり、 白色矮星よりも密度が大きい 中性子星になる ([(*) 図表 43ページ [2 B]「重い星の死」のうち「中性子星」])。 ただし、ただし、そうなるまでに、捕獲反応で発生するニュートリノが、エネルギーを持って出る。 それが envelope 物質をふきとばし、超新星爆発をおこす ([(*) 図表 45ページ [4]「超新星」])。 ヘリウムよりも重い元素はこの爆発によって星の外に出てくる。
  • さらに大きいと、重力崩壊がつづき、光が出てくることができない ブラックホールになる ([(*) 図表 43ページ [2 B]「重い星の死」のうち「ブラックホール」])。 。

小課題

[(*) 図表 41ページ [4] 「恒星の諸量」]の 「絶対等級」と「有効温度」がわかっている複数の星について、 半径が太陽のなん倍であるかを計算し、表の「半径」で確認してみよう。

事例のうちに、シリウスBと、アンタレスをふくめること。 ただし、シリウスBの有効温度は、『理科年表 2021』 天49ページでは、 26000 K とされている。ここでは 図表の値とどちらをつかってもよいことにするが、 どちらによったかを明記すること。

実視等級と放射等級のちがいは無視してよいとする。

放射光度は星が単位時間あたりに出すエネルギーである。 絶対等級は放射光度の対数に比例し、 絶対等級の値が 5 だけ小さくなることが、放射光度が 100倍になることに対応する。

【[2021-11-07 補足] これを書きなおすと、 星と太陽との放射光度の比 (= 星の放射光度 / 太陽の放射光度) は、 10 の {「星の絶対等級 - 太陽の絶対等級」×(2/5)} 乗 である。 (2は、100が10の2乗であるところからでてくる。)】

放射輝度は星の表面が単位面積・単位時間あたりに出すエネルギーである。 これは有効温度の黒体放射とみなすことができる。

【[2021-11-07 補足] シュテファン - ボルツマン の法則から、 星と太陽との 放射輝度の比は、有効放射温度の比の4乗 である。】

星の放射光度、放射輝度がそれぞれ太陽のなん倍であるかがわかれば、 星の形が球であるとして、 表面積、そして半径がそれぞれ太陽のなん倍であるかを計算できる。

【[2021-11-07 補足] 表面積の比 = 放射光度の比 / 放射輝度の比。 半径の比 は 表面積の比の平方根。】

銀河

• 図表 1章 14-15ページ「銀河系と銀河」
• 天球上のみかけの星の分布
  • 明るい帯がある。「天の川 (あまのがわ)」「銀河」「Milky Way」「Galaxy」とよばれてきた。
  • [(*) 図表 52ページ [1] 「太陽の年周運動」の下側の図] みかけの天球上の天の川が明るい青の帯として表示されている。
  • (望遠鏡でみると) たくさんの星からなっている。
• 太陽系のまわりの星の3次元空間内の分布
  • [(*) 図表 14ページ [1 B] 「銀河系の構造」])
  • ひとつのまとまりが認識され、「銀河」(固有名は「天の川銀河」)とよばれるようになった。
  • 3次元等方的(=あらゆる方向に同じようにひろがる)ではなく、2次元の平面に比較的集中している、円盤状。 直径10万光年、厚さ1.5万光年ぐらい。
  • 円盤の中心部「銀河中心核」にとくに多数の星が集中している。
  • 太陽は中心から約 2.8万光年 離れている。
  • 円盤内では、星が相対的に集中した腕の構造がある。腕は渦巻き(spiral)型をしている。
• 宇宙にはたくさんの銀河がある。 ([(*) 図表 15ページ [3] 「銀河」])

(トピック) 銀河中心部のブラックホール

• 天の川銀河をふくむ、多くの銀河の中心部には、 個々の恒星よりも巨大な (質量が太陽の数十億倍の) ブラックホールがあると 考えられている。 ([(*) 図表 14ページ「銀河系と銀河」 [2] [銀河系中心部」] でふれている。)
  • 2019年、「M78銀河」の中心部にブラックホールがある証拠を示す画像がつくられた。 (ブラックホールそのものが出す光は見えないが、その周辺からとどく光の特徴から判断された。) この研究については、(2019年春の論文発表よりもまえに出た本だが) 本間 (2017)の本が参考になる。
    • 本間さんの専門は、電波観測による銀河系天文学。 とくに、VLBI (very long baseline interferometry、超長基線干渉計測) という方法による観測をしている。 地球上で遠く離れた電波望遠鏡によって観測された電波を、 位相(山・谷)の対応をみながらあわせて使うことにより、 地球の大きさの望遠鏡にあたる分解能を得るものだ。

本の紹介

• Andrew King 著 (2012), 中田 好一 [よしかず] 訳, 2013: 『星 -- 巨大ガス球の生と死』 (サイエンス・パレット SP-010)。丸善出版。 {板倉図書館2階} ... 恒星でおこっている原子核反応と、恒星の「一生」あるいは「進化」についての解説。 [読書メモ]
• 本間 希樹 [まれき], 2017: 『巨大ブラックホールの謎』 (ブルーバックス)。講談社。 {板倉図書館 ブルーバックス} {東洋大学図書館 eBook} ... 銀河の中心部に太陽の十億倍もの質量のブラックホールがあるという話題を中心とした解説。 著者の研究方法は天体からの電波を地球上の離れた複数の地点でとらえる VLBI (超長基線干渉計測)。 著者は2019年4月にニュースになった研究にもかかわっており、本書には2017年の時点でわかっていたことが書かれている。 [読書メモ]