星の進化

Stellar Evolution

星の中心では水素原子核4個がヘリウム1個に融合し、質量の一部がエネルギーになって星が輝きます。 H-R図ではほとんどの星が主系列にあり、質量が大きいほど明るいが寿命は短くなります。太陽型の星と大質量星では進化経路と最期(白色矮星、中性子星・ブラックホールなど)がちがいます。このページでは恒星質量のスライダーを動かし、H-R図上の進化経路がどう分かれるかを確かめてみましょう。

星のエネルギー源 — 核融合

💡 なぜ星は輝くのか

①星の中心(コア)は数千万度の超高温

②この温度で水素(H)原子核4個が融合し、ヘリウム(He)1個に

③このとき質量の0.7%がエネルギーに変換(E = mc²!)

④そのエネルギーが光と熱として放出 → 星が輝く

⑤太陽:毎秒約6億トンの水素をヘリウムに変換中

H-R図 — 恒星の地図

恒星質量(太陽質量 M☉)1

📊 H-R図の読み方

①横軸:表面温度(左ほど高温!注意)

②縦軸:絶対等級·光度(上ほど明るい)

③多数の恒星は主系列(対角線帯)に分布

④左上:熱く明るいO·B型(青)

⑤右下:冷たく暗いM型(赤)

質量が星の運命を決める

質量-光度関係

L ∝ M^3.5

質量2倍 → 光度約11倍(2^3.5 ≈ 11.3)

主系列の寿命

t ∝ ML ≈ 1M^2.5

大質量星 = 燃料は多いが消費が速く寿命は短い

比較

Chart質量による星の進化

区分	太陽型(≤3M☉)	大質量(>3M☉)
主系列寿命	~100億年(太陽)	~数百万年
中心核融合	H→He	H→He→C→O→...→Fe
主系列以後	赤色巨星	超巨星
最終段階	惑星状星雲 → 白色矮星	超新星爆発
残骸	白色矮星(地球大)	中性子星 / ブラックホール

📐 なぜ大質量星が先に死ぬか

①質量が大きいほど中心温度·圧力が高い

②核融合が速く進む → 燃料を急速に消費

③太陽:~100億年寿命 / 10M☉星:~2千万年寿命

④寿命 ∝ 1/M^2.5 — 大質量ほど劇的に短い

星の最期

💫 太陽型 vs 大質量星の最期

①太陽型:水素枯渇 → ヘリウム核融合 → 外層膨張(赤色巨星)→ 外層放出(惑星状星雲)→ 中心部のみ(白色矮星)

②大質量:Feまで核融合 → 鉄は核融合不可 → コア崩壊 → 超新星爆発!

③超新星後:1.4~3M☉→ 中性子星、>3M☉→ ブラックホール

④我々の体の元素(C·O·Fe等)は過去の恒星の核融合·超新星で生成された!

例題と過去問で確認

例題 1

質量·光度関係 L ∝ M^3.5 に従うとき、質量が太陽の2倍の主系列星の光度は太陽の約何倍か?

L ∝ M^3.5 なので、質量が2倍なら光度は2^3.5倍。

2^3.5 ≈ 11.3、すなわち約11倍。

▸ 約11倍

質量が少し大きいだけで光度は急増する。その分、燃料を速く使い寿命が短くなる。

例題 2

太陽くらいの質量の星と、太陽よりずっと重い(約10倍以上)星は、それぞれ一生の最後にどんな天体として残るか?

太陽型の星は赤色巨星を経て外層を惑星状星雲として放出し、中心部だけが白色矮星として残る。

大質量星は超巨星を経て超新星爆発を起こし、残骸の質量に応じて中性子星またはブラックホールになる。

▸ 太陽型 → 白色矮星 / 大質量 → 中性子星またはブラックホール

質量が星の運命を決める。重いほど激しい最期(超新星)を迎える。

共通テスト類題

星の進化についての説明として正しいものは?

①H-R図の横軸は右へ行くほど表面温度が高い

②質量が大きい主系列星ほど光度が大きく寿命が短い

③太陽は最後に超新星として爆発する

④星のエネルギー源はヘリウムが水素に分裂する核分裂である

⑤質量が小さい星ほど主系列の寿命が短い

▸ ② 質量が大きい主系列星ほど光度が大きく寿命が短い

質量が大きいほど中心の温度·圧力が高く核融合が速いため、光度は大きいが燃料を速く使い果たし寿命が短い。

横軸は左ほど高温で(①)、太陽は白色矮星で終わり(③)、エネルギー源は水素→ヘリウムの核融合で(④)、重い星ほど寿命が短い(⑤)。

総まとめ

核心関係

L ∝ M^3.5, 寿命 ∝ 1M^2.5

大質量ほど明るいが寿命は短い

🎯 試験ポイント

①H-R図:横軸=温度(左ほど高)·縦軸=光度(上ほど明)

②主系列:大質量ほど左上(高温·高光度)

③太陽型:主系列→赤色巨星→惑星状星雲→白色矮星

④大質量:主系列→超巨星→超新星→中性子星/ブラックホール

⑤寿命 ∝ 1/M^2.5(大質量ほど短い)