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高校2~高校3年生 (16-18歳)

地学 星の進化 わかりやすく

Stellar Evolution

星の中心では水素の原子核4個がヘリウムの原子核1個に融合し、減った質量の分だけエネルギーが出て、そのエネルギーで星が輝いています。 星をHR図に表面温度と光度で記すと、ほとんどが左上から右下へのびる主系列に集まり、重い星ほど左上にあって明るい一方、燃料を早く使うので寿命が短くなります。 はじめの質量が太陽の約8倍より小さい星は赤色巨星をへて白色矮星になり、それより重い星は超巨星をへて超新星爆発を起こし、中性子星かブラックホールを残します。 図で星の質量を変えると、主系列での位置とその後の進化の道すじ、主系列の寿命と最期がいっしょに変わります。

星のエネルギー源、水素の核融合

💡 星はなぜ輝くのか
①太陽の中心は温度が約1500万Kで、圧力は地球の大気圧の数千億倍に達する
②この条件で、水素の原子核4個がいくつかの段階をへてヘリウムの原子核1個になる
③このとき質量の約0.7%が減り、減った質量は E = mc² にしたがってエネルギーに変わる
④太陽は1秒間に約6億トンの水素をヘリウムに変え、そのうち約400万トンがエネルギーとなって出ていく

HR図：星の地図

1 M⊙
📊 HR図の読み方
①横軸は表面温度で、左へ行くほど高温（スペクトル型 O B A F G K M の順）
②縦軸は光度で、1目盛り上がるごとに100倍明るくなる対数目盛りである
③星の約90%は、左上から右下へのびる主系列にある
④右上は低温でも大きいので明るい赤色巨星と超巨星、左下は高温でも小さいので暗い白色矮星が占める

質量が星の一生を決める

質量光度関係
L ∝ M3.5
質量が2倍なら光度は約11倍（23.5 ≈ 11.3）
主系列の寿命
t ∝ ML ≈ 1M2.5
重い星は燃料が多いが、それよりはるかに速く燃やすので寿命が短い

比較

質量による星の進化
項目太陽の約8倍未満太陽の約8倍以上
主系列の寿命太陽は約100億年数百万〜数千万年
中心の核融合水素 → ヘリウム → 炭素・酸素水素 → ヘリウム → 炭素 → 酸素 → … → 鉄
主系列のあと赤色巨星超巨星
最終段階惑星状星雲 → 白色矮星超新星爆発
残るもの白色矮星（地球ほどの大きさ）中性子星またはブラックホール
📐 重い星が先に死ぬわけ
①質量が大きいほど中心の温度と圧力が高く、核融合がずっと速く進む
②燃料は質量に比例して多くなるが、光度は質量の3.5乗で大きくなるので、燃料が早く尽きる
③そのため主系列の寿命は、おおよそ質量の2.5乗に反比例する
④太陽が約100億年なら、太陽の10倍の星は約3000万年、太陽の半分の星は約570億年で、いまの宇宙の年齢より長い

星の最期

💫 軽い星と重い星の最期
①軽い星は中心の水素を使いきると外層がふくらんで赤色巨星になり、中心ではヘリウムが炭素と酸素に変わる
②外層はゆっくり広がって惑星状星雲になり、残った中心部は地球ほどの白色矮星になって冷えていく
③重い星は中心で鉄までつくると、それ以上エネルギーを出せなくなって中心が一瞬でつぶれ、外層は超新星として爆発する
④残った中心部の質量が太陽の約3倍より小さければ中性子星、大きければブラックホールになる
⑤わたしたちの体をつくる炭素、酸素、鉄などの元素は、むかしの星の核融合と超新星爆発でつくられた

例題と過去問で確認

例題 1
質量·光度関係 L ∝ M3.5 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?
1
L ∝ M3.5 なので、質量が2倍なら光度は23.5倍。
2
23.5 ≈ 11.3、すなわち約11倍。
▸ 約11倍
質量が少し大きくなるだけで光度はずっと大きくなり、そのぶん燃料を早く使うので寿命が短くなる。
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？
1
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。
2
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
質量が星の最期を分け、重い星ほど超新星のようなはげしい最期をむかえる。
韓国修能 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
1
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。
2
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

核心となる関係
L ∝ M3.5, 寿命 ∝ 1M2.5
質量が大きい星ほど明るく高温だが寿命が短く、最期もはげしい
🎯 試験ポイント
①HR図の横軸は表面温度で左が高温、縦軸は光度で上が明るい
②主系列では、質量が大きい星ほど左上（高温で明るい）にある
③軽い星：主系列 → 赤色巨星 → 惑星状星雲 → 白色矮星
④重い星：主系列 → 超巨星 → 超新星 → 中性子星またはブラックホール
⑤主系列の寿命は質量の2.5乗に反比例し、重いほど短い
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天体の座標系

最終更新

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