恒星と宇宙（知識）

銀河系の構造について述べた文として正しいものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　太陽系は、銀河系の中心部にあるふくらんだ部分（バルジ）の中にある。
• イ　球状星団は、主に銀河系の円盤部に分布している。
• ウ　地球から見た銀河系の中心は、オリオン座の方向にある。
• エ　星間ガスや星間塵などの星間物質は、ハローよりも円盤部に多く存在する。

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エから 1 つ選べ。

遠方の銀河のスペクトルを調べると、銀河に含まれる元素のスペクトル線が、実験室で測った波長よりも（ a ）波長の側にずれている。これは銀河が地球から遠ざかっているためである。さらに、多くの銀河について調べると、銀河が遠ざかる速さ（後退速度）は、銀河までの距離に（ b ）することがわかった。これをハッブル・ルメートルの法則という。

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。

誕生直後の宇宙は高温・高密度で、電子は原子核と結びつかずに自由に飛び回っていたため、光は電子にさえぎられてまっすぐ進むことができなかった。宇宙の誕生から約 38 万年後、宇宙が膨張して温度が約 3000 K まで下がると、電子が原子核に捕らえられて原子ができ、光が電子にさえぎられずにまっすぐ進めるようになった。このできごとを何というか。

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。

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。

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

銀河は、見かけの形によって渦巻銀河（棒渦巻銀河を含む）・楕円銀河・不規則銀河などに分類される。楕円銀河の特徴について述べた文としてあてはまるものを、次のア〜オからすべて選べ。

• ア　星間物質（星間ガスや星間塵）が少ない
• イ　中心部から渦巻き状にのびる腕をもつ
• ウ　年老いた恒星が多く、全体として赤みがかって見える
• エ　新しい恒星が活発に誕生している
• オ　外形は円形から楕円形で、腕のような構造が見られない

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。

銀河の分布と宇宙の大規模構造について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　銀河は、宇宙空間のどこでもほぼ同じ密度で一様に散らばって分布している
• イ　銀河系はほかの銀河と集団をつくらず、宇宙空間に単独で存在している
• ウ　ボイドとよばれる領域は、銀河が特に密集して集まっている領域である
• エ　銀河は膜状に連なって分布し、その間には銀河がほとんどない領域が広がっている

冬の夜空に見える 2 つの恒星 P, Q のスペクトル型を調べたところ、恒星 P は B 型、恒星 Q は M 型であった。この結果について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

「恒星 P は恒星 Q に比べて表面温度が（　a　）、恒星 P は（　b　）色に見える。」

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。

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。

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。

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。

ビッグバンから現在までの宇宙の歴史について述べた文として正しいものを、次のア〜オのうちからすべて選べ。

• ア　宇宙は膨張するにつれて温度が上昇していき、現在の宇宙は誕生直後の宇宙よりも高温になっている。
• イ　宇宙誕生後数分のうちに、陽子と中性子が結びついてヘリウムの原子核がつくられた。
• ウ　炭素・酸素・鉄などの重い元素は、その大部分が宇宙誕生直後の数分間の元素合成でつくられた。
• エ　宇宙誕生から約 38 万年後に温度が約 3000 K まで下がると、電子が原子核と結びついて原子ができ、光が直進できるようになった。
• オ　現在観測される宇宙背景放射は、宇宙の晴れ上がりのころに放たれた光の波長が、宇宙の膨張によって引きのばされたものである。

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。

3 つの銀河 X, Y, Z を望遠鏡で観測し、その結果を次の表にまとめた。なお、「星間ガスからの電波」は、銀河に含まれる水素ガスが出す電波の強さを表す。

この観測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　X は不規則銀河に分類され、決まった中心のふくらみをもたない。
• イ　Y は星間ガスを多く含むため、現在も恒星が活発に誕生している。
• ウ　Y は楕円銀河に分類され、新しい恒星の誕生はほとんど起こっておらず、主に年齢の古い恒星からなる。
• エ　X の腕の部分が青白く見えるのは、腕に年齢の古い低温の恒星が集中しているためである。
• オ　Z は渦巻銀河に分類され、中心のふくらみ（バルジ）と円盤をもつ。

ビッグバンで始まった宇宙は、膨張しながら温度が下がってきた。誕生直後の宇宙は光が直進できない状態にあったが、やがて光が遠くまで直進できる状態に変わった。この出来事を「宇宙の晴れ上がり」という。宇宙の晴れ上がり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　宇宙の温度が下がって陽子と中性子が結合し、ヘリウムの原子核がつくられたことで、光が直進できるようになった。
• イ　宇宙で最初の恒星が誕生し、その恒星の光によって周囲のガスが照らされ、宇宙が明るく見えるようになった。
• ウ　ビッグバンから約 38 万年後に宇宙の温度が約 3000 K まで下がり、電子が原子核に捕らえられて原子ができたため、光が直進できるようになった。
• エ　ビッグバンから約 38 万年後に宇宙の温度が約 3 K まで下がり、電子が原子核に捕らえられて原子ができたため、光が直進できるようになった。
• オ　宇宙の晴れ上がりのときに放たれた光は、宇宙の膨張によって波長が短くなり、現在は X 線として全天からやってくる。

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。

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。

銀河の形態と、宇宙における銀河の分布について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　楕円銀河は、渦巻銀河に比べて星間物質（ガスや塵）が少なく、主に年齢の古い恒星からなる。
• イ　渦巻銀河の円盤部の渦巻腕には星間物質が多く、現在も新しい恒星が誕生している。
• ウ　遠方の銀河ほど大きな速さで遠ざかっており、その後退速度は銀河までの距離の 2 乗に比例する。
• エ　銀河は宇宙に一様に分布しているのではなく、銀河団や超銀河団が膜状につながり、その間に銀河がほとんど存在しない空洞（ボイド）が広がっている。
• オ　天の川銀河は、アンドロメダ銀河や大マゼラン雲などとともに、局部銀河群とよばれる銀河の集団をつくっている。

宇宙の膨張とビッグバン、宇宙背景放射について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。

• ア　宇宙背景放射は、天球上のあらゆる方向からほぼ同じ強さでやってくる電波（マイクロ波）で、その強さの波長分布は絶対温度約 3 K の黒体放射によく一致する。
• イ　宇宙背景放射は、宇宙誕生直後に生まれた多数の恒星が一斉に放った光が、現在の地球に届いたものである。
• ウ　宇宙の温度が下がり、電子が原子核と結びついて原子ができると、光が電子に散乱されずに直進できるようになった。このできごとを宇宙の晴れ上がりという。
• エ　ビッグバン直後の高温・高密度の宇宙では、陽子と中性子が結びついてヘリウムの原子核がつくられた。
• オ　宇宙が膨張しているため、遠方の銀河のスペクトルに見られる吸収線は、本来の位置より波長の短い側にずれて観測される。