恒星と宇宙(知識)の問題
太陽と同じ程度の質量をもつ恒星 X について、中心部で水素の核融合が起こっている時期(状態 A)と、その後に中心部の水素が少なくなった時期(状態 B)の性質を、恒星の進化の理論から求めて次の表にまとめた。半径と光度は、状態 A の値を 1 としたときの値である。
| 表面温度 | 半径 | 光度 | 表面の色 | |
|---|---|---|---|---|
| 状態 A | 約 5800 K | 1 | 1 | 黄色 |
| 状態 B | 約 3500 K | 約 100 | 約 1000 | 赤色 |
状態 B の恒星 X は何とよばれる段階にあるか。最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア 中心部で水素の核融合が始まったばかりの主系列星
- イ 外層を放出したあとに中心部が残った白色矮星
- ウ 外層が大きく膨らんで表面温度が下がった赤色巨星
- エ 超新星爆発のあとに中心部が残った中性子星
この問題で使うもの
- 恒星の進化の終末(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(66 技能)
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- 仕事の定義と正・負・0
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- クーロンの法則と電場・電気力線
- 陰極線と電気素量
- ラザフォードの原子模型
- 原子核の構成と核力
- 質量とエネルギーの等価性と結合エネルギー
- 核分裂と核融合
- 恒星の誕生と主系列星
- 恒星の進化の終末
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
技能「恒星の進化の終末」で学んだ、主系列星の後の段階と、それぞれの段階の半径・表面温度の特徴を使おう。
ヒント 2
状態 A から状態 B で、半径は大きくなり、表面温度は下がって色が赤くなっている。半径が大きく表面温度が低い恒星の段階はどれかを考える。
ヒント 3
白色矮星と中性子星は、どちらも半径が非常に小さい天体なので状態 B には当てはまらない。主系列星は状態 A の段階である。
答えと解説
答えを見る
ウ
どこでつまずきましたか?(選ぶと、戻る場所を案内します)
解説を読む
表の変化を、恒星の進化の段階の特徴と照らし合わせる。
1. 状態 A は、中心部で水素の核融合が起こっている時期なので主系列星である。
2. 主系列星の中心部の水素が少なくなると、中心部にヘリウムがたまって収縮し、外層は大きく膨張する。膨張した外層は温度が下がるので、表面は赤く見える。
3. 状態 B では、半径が約 100 倍に大きくなり、表面温度が約 5800 K から約 3500 K に下がって赤色になっている。表面温度は低いが、半径が非常に大きいので光度は大きい。これは 赤色巨星 の特徴(半径が大きく、表面温度が低い)に一致する。
よって、正解は ウ である。
ほかの選択肢が誤りである理由:
- ア: 主系列星は状態 A の段階である。状態 B は中心部の水素が少なくなった後なので、水素の核融合が「始まったばかり」の段階ではない。また、半径が 100 倍にもなることはない。
- イ: 白色矮星は、太陽程度の質量の恒星が赤色巨星の段階の後に外層を放出(惑星状星雲)し、残った中心部である。半径は地球程度と非常に小さく、表面温度は高い。状態 B のように半径が大きく表面温度が低いものではない。
- エ: 中性子星は、太陽よりはるかに質量の大きい恒星が超新星爆発を起こしたあとに残る天体で、半径は非常に小さい。太陽程度の質量の恒星は超新星爆発を起こさないし、状態 B は半径が大きいので当てはまらない。
なお、恒星 X はこの後、外層を宇宙空間に放出して惑星状星雲をつくり、中心部は白色矮星になると考えられている。
別解
状態 B は、半径が約 100 倍と大きく膨らみ、表面温度は約 3500 K と下がって赤く、光度は約 1000 倍と明るい。確認すると より で、表の光度(約 1000)とほぼ合う。これは赤色巨星の特徴である。ア: 主系列星は半径・光度が状態 A に近く、表と合わない。イ: 白色矮星は半径が地球ほどで光度が小さく、半径が 100 倍にはならない。ウ: 外層が膨らんで表面温度が下がった赤色巨星は表と合う。エ: 中性子星は半径が約 10 km ときわめて小さく、太陽程度の質量の恒星はその段階まで進化せず、半径 100 倍にもならない。したがって正しいのはウ。