星間物質（星間ガスや星間塵）が特に濃く集まった星間雲の一部が、自らの重力によって収縮すると、中心部の密度と温度が上がっていく。こうして星間雲の中に最初にできる、恒星の誕生のいちばん初めの段階の天体は、収縮によって解放される重力のエネルギーで輝いているが、まわりを濃いガスや塵に厚く包まれているため可視光ではほとんど見えず、おもに赤外線で観測される。この天体を何というか。漢字で答えよ。
恒星の誕生と主系列星
星間雲の収縮による原始星の誕生（重力エネルギーで輝く）、中心部での水素の核融合（4 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核）で輝く主系列星、質量が大きいほど寿命が短いことについて正誤を判定できる
前提
- HR 図と恒星の分類 （高校地学 恒星と宇宙（知識））
- 核分裂と核融合 （高校物理 原子（知識））
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説明
恒星は、宇宙空間に漂うガスやちり（星間物質）が集まった星間雲の中で生まれます。この技能では、星間雲が収縮して原始星になり、やがて中心部で水素の核融合が始まって主系列星になるまでの流れと、主系列星の寿命が質量によってどう変わるかを整理します。恒星の誕生や主系列星についての記述を読んで、その正誤を判定できるようになります。
なぜそうしてよいのか
星間雲の中で、まわりより密度の高い部分ができると、その部分は自分の重力で縮み始めます。物体が重力に引かれて落ちると運動エネルギーが増えるのと同じように、ガスが中心に向かって落ち込むと、重力による位置エネルギーが減り、その分が熱に変わってガスの温度が上がります。こうして中心部が高温になって光を出すようになった天体が原始星です。原始星はまだ核融合をしておらず、収縮によって解放される重力のエネルギーで輝いています。原始星はまわりを濃いガスやちりに包まれているため、可視光では見えにくく、おもに赤外線で観測されます。
収縮が進んで中心部の温度が約 1000 万 K に達すると、水素の原子核どうしが核融合を起こすようになります。4 個の水素原子核（陽子）から 1 個のヘリウム原子核ができる反応で、前提の技能で学んだように、反応後は質量の和がわずかに減り、その分のエネルギーが放出されます。このエネルギーで中心部の圧力が保たれ、星を縮めようとする重力と、外へ押し広げようとする圧力がつり合うので、星は収縮をやめて大きさや明るさが長い間ほぼ一定になります。この段階の星が主系列星で、恒星は一生の大部分を主系列星として過ごします。太陽も現在は主系列星です。
主系列星は、質量が大きいほど HR 図の左上（表面温度が高く光度が大きい）に位置します。質量が大きい星は燃料となる水素を多く持っていますが、光度は質量の増え方よりもはるかに大きく増えるため、水素を使い果たすまでの時間はかえって短くなります。たとえるなら、燃料タンクが 2 倍大きい車でも、燃料を 10 倍の速さで使えば早く燃料切れになる、ということです。このため、主系列星の寿命は質量が大きいほど短くなります（太陽の主系列星としての寿命は約 100 億年です）。
手順
記述が恒星の一生のどの段階（星間雲・原始星・主系列星）の話かを見分ける
原始星の段階: 星間雲が重力で収縮し、重力のエネルギーが熱に変わって輝く。まだ核融合は起きていない
主系列星の段階: 中心部（約 1000 万 K 以上）で、4 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核ができる核融合が起き、そのエネルギーで輝く。重力と圧力がつり合って安定している
寿命の比較: 主系列星は質量が大きいほど光度がずっと大きく、水素を早く使い果たすので、寿命は短い
エネルギー源・反応の内容（何個から何個ができるか）・質量と寿命の大小関係の向きを確かめて、正誤を判定する
例題
恒星の誕生と主系列星について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 原始星は、中心部で水素の核融合が起きることによって輝いている。
イ 主系列星の中心部では、1 個の水素原子核が分裂して 4 個のヘリウム原子核ができる反応が起きている。
ウ 主系列星では、質量が大きい星ほど水素を多く持っているので、寿命が長い。
エ 原始星は、星間雲が自分の重力で収縮するときに解放されるエネルギーによって輝いている。
例題の解答
手順 1 で、各選択肢がどの段階の話かを見分ける。
ア: 原始星の段階の話である。手順 2 より、原始星はまだ核融合をしておらず、収縮による重力のエネルギーで輝く。核融合で輝くのは主系列星なので誤り。
イ: 主系列星の段階の話である。手順 3 より、起きているのは 4 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核ができる核融合である。「1 個が分裂して 4 個のヘリウム原子核」は向きも個数も誤り。
ウ: 寿命の比較の話である。手順 4 より、質量が大きい星は水素を多く持つが、光度がはるかに大きいので水素を早く使い果たし、寿命は短い。誤り。
エ: 原始星の段階の話である。手順 2 のとおり、星間雲の収縮で解放される重力のエネルギーが熱に変わって輝く。正しい。
よって答えはエ。
答え: エ
よくある誤り
原始星も水素の核融合で輝いているとしてしまう誤り。正しくは、原始星は星間雲の収縮で解放される重力のエネルギーで輝き、中心部が約 1000 万 K に達して核融合が始まると主系列星になる。
水素の核融合を「1 個の水素原子核から 4 個のヘリウム原子核」や「2 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核」としてしまう誤り。正しくは、4 個の水素原子核から 1 個のヘリウム原子核ができ、反応後に減った質量の分のエネルギーが放出される。
質量が大きい主系列星ほど燃料の水素が多いので寿命が長い、としてしまう誤り。正しくは、質量が大きいほど光度がはるかに大きく水素を速く消費するので、寿命は短い（質量の小さい星ほど寿命が長い）。
主系列星は核融合のエネルギーでどんどん膨張している（または収縮し続けている）としてしまう誤り。正しくは、主系列星は重力と内部の圧力がつり合っていて、大きさや明るさが長い間ほぼ一定の安定した状態にある。
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
恒星の誕生から最期までの進化と、恒星の内部で起こる核融合反応について述べた文として正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。
- ア 原始星は、星間雲の密度の高い部分が自らの重力で収縮してできる。原始星は収縮によって解放される重力のエネルギーが熱となって輝いており、中心部ではまだ水素の核融合反応は始まっていない。
- イ 主系列星の中心部では水素の核融合反応によってヘリウムがつくられており、質量の大きい主系列星ほど主系列星の段階にとどまる期間（寿命）は長い。
- ウ 太陽程度の質量の恒星が最後に残す白色矮星は、中心部でヘリウムの核融合反応を続けることで輝いている。
- エ 主系列星の段階を終えた恒星は、中心部にできたヘリウムの核が収縮する一方で外層が大きく膨張し、表面温度が下がって赤色巨星となる。
- オ 太陽程度の質量の恒星は、赤色巨星の段階の後に超新星爆発を起こし、中心に中性子星を残す。
- カ 太陽よりも十分に質量の大きい恒星では、中心部で核融合反応が段階的に進んで鉄までの元素がつくられ、その後、超新星爆発を起こす。
恒星の誕生から最期までの進化と、恒星の内部で起こる核融合反応について述べた文として正しいものを、次のア〜カのうちからすべて選べ。
- ア 質量の大きい主系列星ほど、主系列星としてとどまる期間（寿命）が長い。
- イ 原始星は、星間雲（分子雲）の濃い部分が自らの重力で収縮するときに解放される重力のエネルギーによって輝いている。
- ウ 主系列星の中心部では、水素の原子核が核融合してヘリウムの原子核がつくられる反応が起こっている。
- エ 太陽程度の質量の恒星は、赤色巨星の段階を経たのち、最後に超新星爆発を起こして中性子星になる。
- オ 主系列星が赤色巨星になると、主系列星のときに比べて半径は大きくなり、表面温度は低くなる。
- カ 非常に質量の大きい恒星が超新星爆発を起こしたあと、中心部にブラックホールが残ることがある。
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。