次の文は、銀河系の球状星団について述べたものである。
「球状星団は、数十万個ほどの恒星が球状に密集した集団である。銀河系では、おもに（ a ）に分布している。球状星団をつくる恒星は、散開星団の恒星と比べて（ b ）。」
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次の表のア〜エのうちから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 円盤部 | 年齢が若い |
| イ | 円盤部 | 年齢が古い |
| ウ | ハロー | 年齢が若い |
| エ | ハロー | 年齢が古い |
散開星団と球状星団
散開星団と球状星団の恒星の数・形・分布（円盤部かハローか）・年齢・重元素の割合・HR 図の特徴の違いを、観測結果から判定できる
前提
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説明
恒星は、同じ星間雲からほぼ同時にたくさん生まれ、集団（星団）をつくることがあります。星団には、まばらに集まった散開星団と、球状にぎっしり集まった球状星団の 2 種類があり、恒星の数・形・銀河系の中での分布・年齢・重元素の割合・HR 図の形がはっきり違います。この技能では、観測結果からその星団がどちらなのか、どんな性質をもつのかを判定できるようにします。
なぜそうしてよいのか
1 つの星団の恒星は、同じ星間雲からほぼ同じ時期に生まれたと考えられます。つまり、星団の中の星はほぼ同じ年齢で、ちがうのは質量だけです。主系列星は質量が大きいほど寿命が短いので、星団ができてから時間がたつと、質量の大きい星から順に主系列星の段階を終えて赤色巨星へ進み、やがて一生を終えます。このため星団の HR 図では、主系列の上の端（光度が大きく表面温度が高い左上の部分）が、年齢が古いほど欠けていきます。若い星団では、左上の明るい青白い主系列星まで残っています。古い星団では、左上が大きく欠けて主系列は下のほう（暗く低温の部分）だけが残り、主系列から外れた星が赤色巨星として右上に多く並びます。HR 図で主系列がどこまで残っているかを見れば、星団の年齢の古さを比べられるのです。
次に重元素（ヘリウムより重い元素）について考えます。宇宙の初めにはほとんど水素とヘリウムしかなく、重元素は恒星の内部での核融合や超新星爆発でつくられ、星の最期に宇宙空間へまき散らされます。そのため、星の世代が進むほど星間物質の重元素の割合は増え、新しく生まれる星ほど重元素を多くふくみます。古い星団の星は重元素が少なく、若い星団の星は重元素が多くなります。
この 2 つの考えを、銀河系の構造と合わせます。散開星団は、数十〜数百個（多くても数千個程度）の恒星が不規則にまばらに集まった星団で、星間物質の多い銀河系の円盤部（とくに腕の付近）に分布しています。円盤部では今も星が生まれているので、散開星団は年齢が若いものが多く、重元素の割合が大きく、HR 図では明るい青白い主系列星まで残っています（例: プレアデス星団）。球状星団は、数万〜数十万個以上の恒星が球状に密集した星団で、おもにハロー（とバルジ）に分布しています。ハローには星間物質がほとんどなく、新しい星は生まれていないので、球状星団は 100 億年以上の非常に古い星の集まりで、重元素の割合が小さく、HR 図では主系列の上部が欠けて赤色巨星が多く見られます。
手順
形と恒星の数を見る: まばらで不規則・数十〜数百個程度なら散開星団、球状に密集・数万個以上なら球状星団
分布を見る: 銀河系の円盤部（腕の付近）にあれば散開星団、ハロー（やバルジ）に広く分布していれば球状星団
HR 図を見る: 明るく高温の主系列星（左上）まで残っていれば若い星団、主系列の上部が欠けて赤色巨星が多ければ古い星団
年齢と重元素の割合を判断する: 散開星団は若く重元素が多い、球状星団は古く（100 億年以上）重元素が少ない
選択肢の「数・形・分布・年齢・重元素・HR 図」の組み合わせが、散開星団か球状星団のどちらか一方の特徴とそろっているかを確かめて判定する
例題
ある星団を観測したところ、数十万個の恒星が球状に密集しており、銀河系のハローに位置していた。この星団の恒星を HR 図にかくと、主系列星は光度が小さく表面温度の低い部分にだけ見られ、光度が大きく表面温度の高い主系列星は見られなかった。また、赤色巨星が多く見られた。この星団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 この星団は散開星団であり、年齢が若い。
イ この星団は球状星団であり、年齢が古く、恒星にふくまれる重元素の割合が小さい。
ウ この星団は球状星団であり、年齢が若く、恒星にふくまれる重元素の割合が大きい。
エ この星団は散開星団であり、恒星にふくまれる重元素の割合が小さい。
例題の解答
手順 1: 数十万個の恒星が球状に密集しているので、球状星団である。
手順 2: 銀河系のハローに位置していることも、球状星団の特徴と一致する。この時点で、散開星団としているアとエは誤り。
手順 3: HR 図で、光度が大きく表面温度の高い主系列星（左上）が欠けていて、赤色巨星が多い。質量の大きい星がすでに主系列星の段階を終えているので、古い星団である。
手順 4: 古い星団は、重元素がまだ少なかった時代の星間物質から生まれたので、重元素の割合が小さい。
手順 5: イは「球状星団・古い・重元素が少ない」でそろっている。ウは「若い・重元素が多い」が球状星団の特徴と合わないので誤り。
よって答えはイ。
答え: イ
よくある誤り
球状星団は恒星の数が多いので若く活発な星団である、としてしまう誤り。正しくは、球状星団は 100 億年以上の非常に古い星の集まりで、星間物質の少ないハローにあり、新しい星は生まれていない。
古い星ほど重元素を多くふくむ、としてしまう誤り。正しくは、重元素は恒星の内部や超新星爆発でつくられて星の世代ごとに増えていくので、古い球状星団の星は重元素が少なく、若い散開星団の星は重元素が多い。
散開星団はハローに、球状星団は円盤部（腕）に多い、と分布を逆にしてしまう誤り。正しくは、散開星団は円盤部（腕の付近）に、球状星団はハロー（やバルジ）に分布する。
HR 図で明るく高温の主系列星が見られない星団を若い星団としてしまう誤り。正しくは、質量の大きい明るい星ほど寿命が短く先に主系列星の段階を終えるので、主系列の上部が欠けているのは古い星団である。
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
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。