主系列星の後の赤色巨星（半径が大きく表面温度が低い）への変化と、質量による最期の違い（太陽程度は惑星状星雲と白色矮星、大質量星は鉄までの元素合成・超新星爆発・中性子星やブラックホール）を判定できる
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主系列星は、中心部の水素を使い果たすと主系列星の段階を終え、半径が大きく表面温度の低い赤色巨星へと変化します。その後どのような最期を迎えるかは、星の質量によって大きく異なります。この技能では、赤色巨星への変化と、太陽程度の質量の星と大質量星それぞれの最期を整理し、恒星の進化の終末についての記述の正誤を判定できるようにします。
主系列星の中心部では水素がヘリウムに変わっていくので、やがて中心部はヘリウムばかりになります。すると中心部での水素の核融合が止まり、圧力が足りなくなった中心部は重力で縮んで温度が上がります。一方、中心部のまわりの層では水素の核融合が続き、そのエネルギーで星の外層は大きくふくらみます。外層が大きく広がると表面の温度は下がるので、星は赤っぽく見えるようになります。光度・半径・表面温度の関係から、表面温度が低くても半径がとても大きいので光度は大きくなり、HR 図では右上に移ります。これが赤色巨星（大質量星では赤色超巨星）です。中心部がさらに高温になると、ヘリウムが核融合して炭素や酸素ができます。
太陽程度の質量の星は、炭素や酸素より先の核融合を起こせるほど中心部が高温になりません。やがて外層のガスは宇宙空間へ流れ出してゆっくり広がり、残った中心部の高温の星に照らされて輝きます。これが惑星状星雲です（惑星とは関係のない名前です）。残った中心部は核融合をしておらず、地球程度の大きさに縮んだ、密度の非常に大きい星になります。これが白色矮星で、表面温度は高いが半径が小さいので光度は小さく、HR 図の左下に位置し、ゆっくりと冷えていきます。
太陽よりずっと質量の大きい星では、中心部がさらに高温になり、炭素・酸素からさらに重い元素へと次々に核融合が進み、最後に中心部に鉄ができます。鉄の原子核は核子 1 個あたりの結合エネルギーが最も大きい（最も安定な）原子核なので、鉄からさらに核融合してもエネルギーは得られません。エネルギー源を失った中心部は重力で一気につぶれ、その反動で外層が吹き飛ばされる大爆発が起きます。これが超新星爆発で、このとき鉄より重い元素もつくられ、星の内部でできた元素とともに宇宙空間にばらまかれます。爆発の後には、中性子がぎっしり詰まった中性子星が残るか、さらに質量が大きい場合には、重力が強すぎて光さえも抜け出せないブラックホールが残ります。
記述が進化のどの段階（主系列星の後・赤色巨星・最期）の話かを見分ける
赤色巨星: 中心部の水素がなくなると外層がふくらみ、半径が大きく表面温度が低い星になる（HR 図の右上）。中心部ではヘリウムが核融合して炭素・酸素ができる
太陽程度の質量の星の最期: 外層が放出されて惑星状星雲となり、中心部は地球程度の大きさの白色矮星（核融合をしていない、HR 図の左下）として残る
大質量星の最期: 中心部で鉄まで核融合が進み、中心部がつぶれて超新星爆発を起こす。後に中性子星か、より質量が大きければブラックホールが残る
記述の中の「質量」と「最期の姿」の組み合わせ、半径・表面温度の大小の向き、どこまで元素合成が進むかを確かめて正誤を判定する
恒星の進化の終末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 主系列星が赤色巨星になると、半径は小さくなり、表面温度は高くなる。
イ 太陽程度の質量の恒星は、最後に超新星爆発を起こし、ブラックホールになる。
ウ 太陽程度の質量の恒星は、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。
エ 大質量星の中心部では、核融合によってウランまでの重い元素が次々につくられ、そのエネルギーで輝き続ける。
手順 1 で各選択肢の段階を見分け、手順 2〜4 と照らし合わせる。
ア: 赤色巨星の話である。手順 2 より、赤色巨星は外層がふくらんで半径が大きく、表面温度は低い。大小の向きが逆なので誤り。
イ: 太陽程度の質量の星の最期の話である。手順 3 より、太陽程度の星は惑星状星雲と白色矮星になる。超新星爆発やブラックホールは大質量星の最期（手順 4）なので、質量と最期の組み合わせが誤り。
ウ: 太陽程度の質量の星の最期の話である。手順 3 のとおりで、正しい。
エ: 大質量星の話である。手順 4 より、中心部の核融合は鉄までで止まる。鉄は核子 1 個あたりの結合エネルギーが最も大きく、それ以上核融合してもエネルギーは得られない。ウランまで核融合で輝き続けるという記述は誤り。
よって答えはウ。
答え: ウ
赤色巨星は表面温度が低いので暗く小さい星である、としてしまう誤り。正しくは、赤色巨星は表面温度が低い一方で半径が非常に大きいため光度は大きく、HR 図の右上に位置する。
太陽程度の質量の星も超新星爆発を起こして中性子星やブラックホールになる、としてしまう誤り。正しくは、太陽程度の星は惑星状星雲を残して白色矮星になり、超新星爆発・中性子星・ブラックホールは大質量星の最期である。
大質量星の中心部では鉄より重い元素まで核融合でどんどんつくられてエネルギーを出し続ける、としてしまう誤り。正しくは、鉄は核子 1 個あたりの結合エネルギーが最大で、核融合でエネルギーを取り出せるのは鉄まで。鉄より重い元素はおもに超新星爆発のときなどにつくられる。
白色矮星は表面温度が低い（白いのに冷たい）星、または中心部で核融合を続けている星としてしまう誤り。正しくは、白色矮星は表面温度が高いが半径が地球程度と小さいので光度が小さく、核融合はしておらず、ゆっくり冷えていく。
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。
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。
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。
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。
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。