横軸に表面温度（左ほど高温）、縦軸に光度（上ほど明るい）をとった HR 図（ヘルツシュプルング・ラッセル図）で、左下の領域に分布する恒星がある。これらの恒星は、表面温度が高いにもかかわらず光度が非常に小さい。このことから、半径がきわめて小さく（地球と同じくらいの大きさ）、密度がたいへん大きい恒星であることがわかる。このような恒星を何というか。漢字で答えよ。
HR 図と恒星の分類
HR 図の軸の向きと、主系列星・巨星（赤色巨星）・白色矮星の位置と特徴を説明でき、表面温度と光度の組み合わせから恒星の半径の大小や種類を判定できる
前提
- 恒星の色・スペクトル型と表面温度 （高校地学 恒星と宇宙（知識））
- 光度・半径・表面温度の関係 （高校地学 恒星と宇宙）
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説明
HR 図（ヘルツシュプルング・ラッセル図）は、横軸に恒星の表面温度（スペクトル型）、縦軸に光度（絶対等級）をとって、たくさんの恒星を点で表した図です。恒星は図の上にでたらめに散らばるのではなく、主系列星・巨星（赤色巨星）・白色矮星などのグループに分かれて並びます。この技能では、HR 図の軸の向きとそれぞれのグループの位置・特徴を理解し、表面温度と光度の組み合わせから恒星の種類や半径の大小を判定できるようにします。
なぜそうしてよいのか
HR 図の横軸は、左ほど表面温度が高く（O 型・青白）、右ほど低く（M 型・赤）なるように目盛ります。ふつうのグラフと左右が逆なので注意が必要です。縦軸は上ほど光度が大きく（絶対等級が小さく）、下ほど光度が小さくなります。
半径の大小は、光度 ・半径 ・表面温度 の関係 から読み取れます。表面温度が同じ恒星どうし（HR 図で同じ縦の線上）なら、光度が大きいほど が大きく、半径が大きくなります。光度が同じ恒星どうし（同じ横の線上）なら、表面温度が低いほど、同じ光度を出すために広い表面積が必要なので半径が大きくなります。つまり、HR 図の右上ほど半径の大きい恒星、左下ほど半径の小さい恒星です。
この見方で 3 つのグループを整理すると、左上から右下へ帯状に並ぶのが主系列星で、太陽もその一つです（左上ほど高温・高光度・大きい）。右上にあるのは、表面温度が低く赤いのに光度が大きい恒星で、半径が非常に大きい巨星（赤色巨星）です。左下にあるのは、表面温度が高く白っぽいのに光度が小さい恒星で、半径が非常に小さい白色矮星です。
手順
HR 図の軸の向きを確認する: 横軸は左ほど高温（O 型）・右ほど低温（M 型）、縦軸は上ほど光度が大きい（絶対等級が小さい）
与えられた恒星の表面温度（色・スペクトル型）から、HR 図の左右の位置を決める
光度（絶対等級）から、HR 図の上下の位置を決める
位置から種類を判定する: 左上〜右下の帯は主系列星、右上は巨星（赤色巨星）、左下は白色矮星
半径の大小を判定する: より、右上ほど半径が大きく、左下ほど半径が小さい
例題
表面温度が太陽より低く、光度が太陽よりはるかに大きい恒星がある。この恒星について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア HR 図では太陽より左下に位置し、半径は太陽より小さい。
イ HR 図では太陽より右上に位置し、半径は太陽より大きい。
ウ HR 図では太陽より左上に位置し、半径は太陽より小さい。
エ HR 図では太陽より右下に位置し、半径は太陽より大きい。
例題の解答
手順 1: HR 図の横軸は左ほど高温・右ほど低温、縦軸は上ほど光度が大きい。
手順 2: 表面温度が太陽より低いので、太陽より右に位置する。
手順 3: 光度が太陽よりはるかに大きいので、太陽より上に位置する。よって太陽より右上にある。
手順 4: 右上にあるので、この恒星は巨星（赤色巨星）である。
手順 5: で、 が太陽より小さいのに が太陽よりはるかに大きいので、 は太陽よりはるかに大きい。つまり半径は太陽より大きい。
よって正しいものはイである。
答え: イ
よくある誤り
横軸の向きを逆にしてしまう誤り（右ほど高温とする）。正しくは HR 図の横軸は左ほど高温（O 型）、右ほど低温（M 型）。
縦軸を絶対等級の数値で読んで、上ほど暗いとしてしまう誤り。正しくは上ほど光度が大きく、絶対等級の数値は上ほど小さい。
赤い恒星や温度の低い恒星は小さいと考えてしまう誤り。半径は で決まり、表面温度が低くても光度が大きければ（右上の赤色巨星）半径は非常に大きい。
白色矮星は高温なので光度も大きいと考えてしまう誤り。白色矮星は表面温度が高いが半径が非常に小さいため、光度は小さく HR 図の左下に位置する。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
3 つの恒星 P, Q, R について、スペクトル型と絶対等級を調べたところ、次の表のようになった。恒星 R は太陽とほぼ同じ性質をもつ主系列星である。
恒星 スペクトル型 絶対等級 P M 型 等 Q A 型 等 R G 型 等 この結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。ただし、恒星は黒体とみなせるものとする。
- ア 恒星 P の表面温度は、恒星 R の表面温度より高い。
- イ 恒星 P の半径は、恒星 R の半径より大きい。
- ウ 恒星 Q の半径は、恒星 R の半径より大きい。
- エ 恒星 Q は、HR 図の主系列に位置する主系列星である。
銀河系内のある星団 X を観測したところ、次の結果が得られた。
- 数万〜数十万個の恒星が、球状に密集して集まっている。
- 星団 X は、銀河系の円盤部から大きく離れた空間に位置している。
- 星団 X の恒星について HR 図をつくると、主系列の上部（高温で明るい星）がみられず、赤色巨星が多く含まれていた。
星団 X と、星団 X が属する銀河系の構造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 星団 X は散開星団であり、このような星団は主に銀河系の円盤部に分布している。
- イ 星団 X を構成する恒星は、太陽に比べて、ヘリウムより重い元素（重元素）の割合が小さいと考えられる。
- ウ 星団 X の内部には星間ガスが豊富にあり、現在も新しい恒星が盛んに誕生している。
- エ 星団 X のような星団は、銀河系の円盤部の渦巻腕に沿って集中して分布している。
- オ 星団 X は、数千万年前に形成された比較的若い星団である。
銀河系内の 2 種類の星団 X, Y について、それぞれの代表的な星団と、同じ種類の星団全体の天球上での分布を調べた。結果は次の表のようになった。
調べた項目 星団 X 星団 Y 1 つの星団に含まれる恒星の数 数十〜数百個程度 数万〜数十万個程度 星団の見かけの形 恒星がまばらに集まり、形は不規則 恒星が球状に密集している 同じ種類の星団の天球上での分布 天の川に沿った帯状の領域に集中している 天の川から大きく離れた方向にも広く見られ、いて座の方向を中心に分布している HR 図の特徴 主系列の上端（左上）まで青白い高温の恒星が並ぶ 主系列は太陽程度の恒星までしか見られず、赤色巨星が多い 恒星に含まれる重元素（水素・ヘリウム以外の元素）の割合 太陽と同程度 太陽に比べて少ない この結果から考えられること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 星団 X のような星団は主に銀河系のハローに分布し、星団 Y のような星団は主に銀河系の円盤部に分布している。
- イ 星団 Y のような星団は星団 X のような星団に比べて年齢が古く、主に銀河系のハローに分布している。
- ウ 星団 X は主系列の上端に高温の恒星が残っていることから、星団 Y よりも年齢が古いと考えられる。
- エ 星団 Y の恒星に重元素が少ないのは、星団 Y が星間物質の多い円盤部で最近誕生したためである。
- オ 星団 Y のような星団がいて座の方向を中心に分布していることから、太陽は銀河系の中心付近に位置すると考えられる。
恒星の表面温度・光度・半径と、HR 図（ヘルツシュプルング・ラッセル図）上の位置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。ただし、HR 図は横軸にスペクトル型（表面温度）、縦軸に絶対等級（光度）をとり、左ほど表面温度が高く、上ほど光度が大きいものとする。
- ア 恒星のスペクトル型は、O, B, A, F, G, K, M の順に表面温度が高くなる。
- イ 主系列星では、表面温度が高い星ほど絶対等級が大きく、暗い星である。
- ウ 赤色巨星は、同じスペクトル型の主系列星に比べて半径がはるかに大きいため、光度が大きい。
- エ 白色矮星は、表面温度が高いにもかかわらず光度が小さい。これは、半径が非常に大きいためである。
- オ 主系列星では、質量が小さい星ほど HR 図の左上に位置する。
この技能の次に学べること
- 恒星の誕生と主系列星 （高校地学 恒星と宇宙（知識））