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恒星と宇宙（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校地学恒星と宇宙（知識）

恒星の誕生から進化の最終段階までと、恒星内部の核融合反応について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

ア　原始星は、中心部で水素の核融合反応が始まったことで得られるエネルギーによって輝いている。
イ　恒星が主系列星の段階にとどまる期間は、質量の大きい恒星ほど長い。
ウ　主系列星が赤色巨星になると、半径が大きくなり、表面温度は主系列星のときより高くなる。
エ　主系列星の中心部では、4 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核がつくられ、このとき減少した質量がエネルギーに変わる。
オ　太陽程度の質量の恒星は、赤色巨星の段階を経たのちに超新星爆発を起こし、中心に中性子星を残す。

この問題で使うもの

恒星の誕生と主系列星（説明と入口の問題）
恒星の進化の終末（説明と入口の問題）

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算数中学高校大学大学院

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ヒント

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ヒント 1

恒星の一生（星間雲 → 原始星 → 主系列星 → 赤色巨星 → 最終段階）の各段階で、何がエネルギー源になっているか、大きさや表面温度がどう変わるかを思い出そう。

ヒント 2

原始星は重力収縮で輝き、主系列星は水素の核融合反応で輝く。また、質量の大きい恒星ほど核融合反応が激しく、燃料を速く使い切る。

ヒント 3

赤色巨星は「赤い」という色から表面温度がどうなるかを考えよう。太陽程度の質量の恒星の最終段階は白色矮星である。これらからア・イ・ウ・オの誤りの箇所を確かめ、残る選択肢を検討しよう。

答えと解説

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エ

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解説を読む

正解はエである。

エ（正しい）　主系列星の中心部は高温・高密度で、4 個の水素原子核（陽子）が融合して 1 個のヘリウム原子核になる核融合反応が起こっている。反応後のヘリウム原子核の質量は、もとの 4 個の水素原子核の質量の合計よりわずかに小さく、この減少した質量がエネルギーに変わる（ $E = m c^{2}$ ）。これが主系列星が輝くエネルギー源である。

ア（誤り）　原始星は、星間雲（分子雲）の濃い部分が自らの重力で収縮してできた天体で、重力収縮によって解放される位置エネルギーが熱に変わって輝いている。中心部の温度が上がって水素の核融合反応が始まると、原始星は主系列星になる。したがって「核融合反応によるエネルギーで輝いている」が誤り。

イ（誤り）　質量の大きい恒星ほど中心部の温度が高く、核融合反応が激しく進むため、水素を速く消費する。そのため、主系列星の段階にとどまる期間（寿命）は、質量の大きい恒星ほど短い。「長い」が誤り。

ウ（誤り）　中心部の水素が少なくなると、恒星の外層は大きく膨張して赤色巨星になる。半径は大きくなるが、表面温度は主系列星のときより低くなり、そのため赤く見える。「表面温度は高くなる」が誤り。

オ（誤り）　太陽程度の質量の恒星は、赤色巨星の段階を経たのち、外層のガスを放出して惑星状星雲をつくり、中心部は白色矮星として残る。超新星爆発を起こして中性子星やブラックホールを残すのは、太陽よりはるかに質量の大きい恒星である。「超新星爆発を起こし、中心に中性子星を残す」が誤り。

別解

各選択肢を検討する。
ア：誤り。原始星は重力収縮によって解放される重力エネルギーで輝く。中心部で水素の核融合が始まるのは主系列星になってからである。
イ：誤り。質量の大きい恒星ほど明るく、水素を速く消費するので、主系列星の期間は短い。
ウ：誤り。赤色巨星は半径が大きくなるが、表面温度は主系列星のときより低くなる（そのため赤く見える）。
エ：正しい。主系列星の中心部では4個の水素原子核（陽子）から1個のヘリウム原子核がつくられ（陽子・陽子連鎖反応やCNOサイクル）、このとき生じる質量欠損が $E = m c^{2}$ に従ってエネルギーに変わる。
オ：誤り。太陽程度の質量の恒星は、赤色巨星の後に外層を放出して惑星状星雲となり、中心核が白色矮星になる。超新星爆発を起こして中性子星を残すのは、より質量の大きい恒星である。
よって正解はエ。

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