太陽の中で起こる熱核反応。 すべての水素がヘリウムに変わっても、ヘリウムが鉄までのより重い元素に変換されるため、星はまだ存在することができます。星では水素がヘリウムに変わります。

星の内部構造

私たちは星をさまざまな力の作用を受ける天体とみなします。 重力は星の物質を中心に向かって引き寄せる傾向がありますが、内部からのガスと軽い圧力は中心から遠ざける傾向があります。 したがって、星は安定した天体として存在するため、闘争する力の間にはある種のバランスが存在します。 これを行うには、星の中のさまざまな層の温度を、各層でのエネルギーの外向きの流れがその下で生じたすべてのエネルギーを表面に導くように設定する必要があります。 エネルギーは小さな中心コアで生成されます。 星の一生の初期には、その収縮がエネルギー源となります。 ただし、核反応が始まるほど温度が上昇するまでに限ります。

星と銀河の形成

宇宙内の物質は、さまざまな形や状態で継続的に発展しています。 物質の存在の形態は変化するので、その結果、さまざまで多様な物体はすべて同時に発生することはできず、異なる時代に形成され、したがって、それらの生成の初めから数えて、独自の特定の年齢を持ちます。

宇宙論の科学的基礎はニュートンによって築かれました。ニュートンは、宇宙に存在する物質は、それ自身の重力の影響下で圧縮可能な部分に分割されることを示しました。 星が形成される物質の塊の形成理論は、1902 年に英国の天体物理学者 J. ジーンズによって開発されました。 この理論は銀河の起源も説明します。 温度と密度が一定の最初は均質な媒体では、圧縮が発生する可能性があります。 その中の相互重力の力がガス圧力の力を超えると、媒体は収縮し始め、ガス圧力が優勢であれば、物質は空間に散逸します。

メタ銀河の年齢は130億年から150億年であると考えられています。 この年齢は、銀河系の最古の星や球状星団の年齢推定と矛盾しません。

スターの進化

銀河のガスと塵の環境で発生し、自身の重力の影響で縮小し続ける凝縮体は、原始星と呼ばれます。 原始星が縮小するにつれて、その密度と温度が上昇し、スペクトルの赤外線領域で豊富に放射し始めます。 原始星の圧縮期間は異なります。太陽質量より小さい質量の場合は数億年、巨大な原始星の場合はわずか数十万年です。 原始星の深部の温度が数百万ケルビンまで上昇すると、原始星の中で水素がヘリウムに変換される熱核反応が始まります。 この場合、巨大なエネルギーが放出され、それ以上の圧縮が妨げられ、物質が加熱されて自己発光し、原始星は普通の星に変わります。 したがって、圧縮ステージは定常ステージに置き換えられ、水素が徐々に「バーンアウト」します。 星は、その一生のほとんどを静止段階で過ごします。 星が位置するのは進化のこの段階であり、それらは主な系列「スペクトル光度」上にあります。 核燃料の供給がそれに依存するため、主系列上での星の滞留時間は星の質量に比例し、核燃料の消費速度を決定する明るさに反比例します。

中心領域のすべての水素がヘリウムに変わると、星の内部にヘリウム核が形成されます。 さて、水素は星の中心ではなく、非常に熱いヘリウム核に隣接する層でヘリウムに変わります。 ヘリウムコア内にエネルギー源がない限り、ヘリウムコアは常に収縮し、同時にさらに加熱されます。 核の収縮により、核の境界近くの薄い層で核エネルギーがより急速に放出されます。 より重い星では、圧縮中の核の温度が 8,000 万ケルビンを超え、その中で熱核反応が始まり、ヘリウムが炭素に変換され、さらに他の重い化学元素に変換されます。 核とその周囲から出るエネルギーはガス圧力の上昇を引き起こし、その影響で光球が膨張します。 星の内部から光球に届くエネルギーは、以前よりも広い範囲に広がるようになりました。 その結果、光球の温度が低下します。 星は主系列から下り、質量に応じて徐々に赤色巨星や超巨星になり、老星になります。 黄色超巨星の段階を通過すると、星は脈動する、つまり物理的な変光星になる可能性があり、赤色巨星の段階でもその状態が維持されます。 小さな質量の星の膨らんだ殻はすでに核に弱く引き寄せられており、徐々に核から遠ざかり、惑星状星雲を形成します。 殻が最後に散乱した後は、星の熱い核、つまり白色矮星だけが残ります。

より大質量の星には異なる運命が待っています。 星の質量が太陽の質量の約 2 倍である場合、そのような星は進化の最終段階で安定性を失います。 特に、超新星として爆発し、その後半径数キロメートルの球の大きさに壊滅的に縮小する、つまり中性子星に変化する可能性があります。

太陽の2倍を超える質量を持つ星は、バランスを失って収縮し始め、中性子星になるか、定常状態にまったく到達できなくなります。 無制限に圧縮される過程で、ブラックホールになる可能性があります。

白色矮星

白色矮星は、表面温度が高く、非常に小さく高密度の珍しい星です。 白色矮星の内部構造の主な特徴は、通常の星と比較して密度が非常に高いことです。 膨大な密度のため、白色矮星の深部のガスは異常な状態、つまり縮退しています。 このような変性ガスの性質は、通常のガスの性質とはまったく似ていません。 たとえば、その圧力は実質的に温度に依存しません。 白色矮星の安定性は、白色矮星を圧縮する巨大な重力が深部の縮退ガスの圧力に対抗するという事実によって支えられています。

白色矮星は、質量がそれほど大きくない星の進化の最終段階にあります。 この星には核発生源はもう存在せず、依然として非常に長い間輝き続け、ゆっくりと冷えていきます。 白色矮星は、その質量が太陽質量の約 1.4 を超えなければ安定です。

中性子星

中性子星は非常に小さく、超高密度の天体です。 平均直径は数十キロメートル以下です。 中性子星は、通常の星の内部で熱核エネルギー源が枯渇した後、その時点での質量が太陽質量の 1.4 を超えた後に形成されます。 熱核エネルギー源がないため、星の安定した平衡は不可能になり、中心に向かう星の壊滅的な圧縮、つまり重力崩壊が始まります。 星の初期質量がある臨界値を超えなければ、中心部の崩壊は止まり、高温中性子星が形成されます。 折りたたみプロセスにはほんの数秒かかります。 その後、星の残りの殻がニュートリノの放出を伴って高温中性子星に流れ込むか、「燃えていない」物質の熱核エネルギーや回転エネルギーによる殻の放出が起こります。 このような放出は非常に急速に起こり、地球から見ると超新星爆発のように見えます。 観測された中性子星 - パルサーは、超新星残骸と関連付けられることがよくあります。 中性子星の質量が太陽質量の3～5倍を超えるとバランスが取れなくなり、ブラックホールとなります。 中性子星の非常に重要な特徴は、回転と磁場です。 磁場は地球の磁場よりも数十億倍、数兆倍も強くなることがあります。

2002-01-18T16:42+0300

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太陽で起こる熱核反応

(Ter.Ink. N03-02、2002 年 1 月 18 日) Vadim Pribytkov、理論物理学者、Terra Incognita の常任特派員。 科学者は、太陽で起こる熱核反応は一般に、水素からヘリウム、そしてより重い元素への変換であることをよく知っています。 しかし、これらの変換がどのように行われるかについては、絶対的な明確性はなく、より正確には、完全な曖昧さが蔓延しています。つまり、最も重要な最初のリンクが欠落しています。 そこで、陽電子とニュートリノを放出しながら、2 つの陽子を結合させて重水素を作るという素晴らしい反応が発明されました。 しかし、陽子間には強力な反発力が働くため、このような反応は実際には不可能です。 ----太陽では実際に何が起こっているのでしょうか？ 最初の反応は重水素の誕生であり、その形成は 2 つの水素原子が緊密に結合した低温プラズマ中で高圧で起こります。 この場合、短期間 2 つの水素原子核がほぼ近くにありますが、そのうちの 1 つを捕捉することができます。

(Ter. Inc. N03-02、2002 年 1 月 18 日)

Vadim Pribytkov、理論物理学者、Terra Incognita の常駐特派員。

科学者は、太陽で起こる熱核反応は一般に、水素からヘリウム、そしてより重い元素への変換であることをよく知っています。 しかし、これらの変換がどのように行われるかについては、絶対的な明確性はなく、より正確には、完全な曖昧さが蔓延しています。つまり、最も重要な最初のリンクが欠落しています。 そこで、陽電子とニュートリノを放出しながら、2 つの陽子を結合させて重水素を作るという素晴らしい反応が発明されました。 しかし、陽子間には強力な反発力が働くため、このような反応は実際には不可能です。

太陽で実際に何が起こっているのでしょうか？

最初の反応は重水素の誕生であり、その形成は 2 つの水素原子が緊密に結合した低温プラズマ中で高圧で起こります。 この場合、2 つの水素原子核が短期間ほぼ近くにあり、同時に軌道電子の 1 つを捕捉することができ、その電子原子核が陽子の 1 つと中性子を形成します。

他の条件下でも、水素原子にプロトンが導入されると、同様の反応が起こる可能性があります。 この場合、軌道電子の捕獲（K-capture）も発生します。

最後に、2 つの陽子が短期間一緒になると、それらの結合した力が通過する電子を捕らえて重水素を形成するのに十分な反応が起こる可能性があります。 すべては、これらの反応が起こるプラズマまたはガスの温度に依存します。 この場合、1.4 MeV のエネルギーが放出されます。

重水素はその後の反応サイクルの基礎となり、2 つの重水素原子核が陽子を放出してトリチウムを形成するか、中性子を放出してヘリウム 3 を形成します。 どちらの反応も同様に起こり得るものであり、よく知られています。

これに、トリチウムと重水素、トリチウムとトリチウム、ヘリウム 3 と重水素、ヘリウム 3 とトリチウム、ヘリウム 3 とヘリウム 3 の組み合わせの反応が続き、ヘリウム 4 が形成されます。 これにより、より多くの陽子と中性子が放出されます。 中性子は、ヘリウム 3 原子核と重水素結合を持つすべての元素によって捕獲されます。

これらの反応は、大量の高エネルギー陽子が太陽風の一部として太陽から放出されるという事実によっても確認されます。 これらすべての反応で最も注目すべき点は、反応中に陽電子もニュートリノも生成されないことです。 すべての反応はエネルギーを放出します。

自然界では、すべてがはるかに簡単に起こります。

さらに、重水素、三重水素、ヘリウム 3、ヘリウム 4 の原子核から、より複雑な元素が形成され始めます。 この場合、すべての秘密は、ヘリウム 4 原子核は互いに反発し合うため、互いに直接結合できないという事実にあります。 それらの接続は、重水素と三重水素の束を介して行われます。 公式科学もこの瞬間をまったく考慮せず、ヘリウム 4 原子核を 1 つの山に放り込んでいますが、これは不可能です。

公式の水素サイクルと同じくらい素晴らしいのは、1939 年に G. ベーテによって発明されたいわゆる炭素サイクルです。このサイクルでは 4 つの陽子からヘリウム 4 が形成され、陽電子とニュートリノも放出されると言われています。

自然界では、すべてがはるかに簡単に起こります。 自然は理論家のように新しい粒子を発明するのではなく、自然が持っている粒子のみを使用します。 ご覧のとおり、元素の形成は 2 つの陽子による 1 つの電子の追加 (いわゆる K 捕獲) から始まり、その結果として重水素が得られます。 K 捕捉は中性子を生成する唯一の方法であり、他のすべてのより複雑な原子核で広く実施されています。 量子力学は原子核内の電子の存在を否定しますが、電子なしで原子核を構築することは不可能です。

ビッグバン後の初期には、陽子と中性子が互いに結合して原子核を形成できるまで、小さくて非常に熱い宇宙が膨張し、冷却されたことは疑いの余地がありません。 どのような原子核がどのような割合で得られたのでしょうか? これは宇宙論者 (宇宙の起源に関心を持つ科学者) にとって非常に興味深い問題であり、最終的には新星と超新星についての考察に戻ることになる問題です。 それでは、もう少し詳しく見てみましょう。

原子核にはさまざまな種類があります。 これらの種類を理解するために、これらの核内に存在する陽子の数に応じて分類されます。 この数の範囲は 1 ～ 100 以上です。

各陽子は +1 の電荷を持っています。 原子核内に存在する他の粒子は中性子であり、電荷を持ちません。 したがって、原子核の総電荷は、原子核に含まれる陽子の数に等しくなります。 1 個の陽子を含む原子核は +1 の電荷を持ち、2 個の陽子を含む原子核は +2 の電荷を持ち、15 個の陽子を含む原子核は +15 の電荷を持ち、というようになります。特定の原子核内の陽子の数 (または原子核の電荷を表す数）を原子番号といいます。

宇宙はますます冷却しており、各原子核はすでに一定数の電子を捕捉できるようになりました。 各電子は -1 の電荷を持っており、反対の電荷が引き合うため、マイナスに帯電した電子はプラスに帯電した原子核の近くに留まる傾向があります。 通常の状態では、1 つの原子核が保持できる電子の数は、この原子核内の陽子の数に等しくなります。 原子核内の陽子の数がその周囲の電子の数と等しい場合、原子核と電子の合計電荷はゼロとなり、それらが結合すると中性原子が得られます。 陽子または電子の数は原子番号に対応します。

同じ原子番号を持つ原子から構成される物質を元素と呼びます。 たとえば、水素は原子核から構成される元素であり、その核には陽子が 1 つとその近くに電子が 1 つ含まれています。 このような原子を「水素原子」といい、その原子核を「水素原子核」といいます。 したがって、水素の原子番号は 1 です。ヘリウムは 2 つの陽子を持つ原子核を含むヘリウム原子で構成されているため、ヘリウムの原子番号は 2 です。同様に、リチウムの原子番号は 3、ベリリウム - 4、ホウ素 - 5、炭素 - です。 6、窒素 - 7、酸素 - 8など

地球の大気、海洋、土壌の化学分析の助けを借りて、81の安定した元素、つまり自然条件が永久に変化しない81の元素が存在することが確立されました。

地球上で (実際) 最も複雑でない原子は水素原子です。 原子番号の増加により、地球上で最も複雑で安定した原子が誕生するでしょう。 これは原子番号 83 のビスマス原子です。つまり、各ビスマス核には 83 個の陽子が含まれています。

安定した元素は合計 81 個あるため、原子番号のリストから 2 つの数字を省略する必要があります。つまり、陽子数が 43 個と陽子数が 61 個の原子は不安定ですが、化学分析を受けた原子番号 43 と 61 の元素は不安定ではありません。天然素材に含まれる。

ただし、これは、原子番号 43 と 61、または原子番号 83 を超える元素が一時的に存在できないことを意味するものではありません。 これらの原子は不安定であるため、遅かれ早かれ、1 つまたは複数の段階を経て、安定した原子に崩壊します。 これは必ずしも即座に起こるわけではなく、長い時間がかかる場合があります。 トリウム (原子番号 90) とウラン (原子番号 92) は、安定した鉛原子 (原子番号 82) になるまでに数十億年の原子崩壊を必要とします。

実際、地球が存在してから何十億年にもわたって、元々その構造に存在していたトリウムとウランの一部だけが崩壊することができました。 元のトリウムの約 80% とウランの 50% は崩壊を免れており、現在でも地表の岩石の中で見つけることができます。

81 種類の安定元素 (トリウムとウランを含む) はすべて地殻 (上層) に存在しますが、その量は異なります。 最も一般的なものは、酸素 (原子番号 8)、シリコン (14)、アルミニウム (13)、鉄 (26) です。 酸素は地殻の 46.6%、シリコン - 27.7%、アルミニウム - 8.13%、鉄 -5% を占めています。 この 4 つが地殻のほぼ 8 分の 7、残りの 8 分の 1 を形成します。

もちろん、これらの要素が純粋な形で存在することはほとんどありません。 混合すると、それらは互いに接続される傾向があります。 このような原子の組み合わせ（または元素の組み合わせ）を化合物と呼びます。 ケイ素と酸素の原子は非常に奇妙な方法で互いに結合しており、ところどころに鉄、アルミニウム、その他の元素の原子がこの化合物（ケイ素 / 酸素）に結合しています。 このような化合物であるケイ酸塩は一般的な岩石であり、地球の地殻は主にそれから構成されています。

酸素原子自体は地殻の他の最も一般的な元素よりも軽いため、酸素の総質量には、同様の質量の他の元素よりも多くの原子が含まれます。 地殻の原子 1000 個ごとに、酸素原子が 625 個、ケイ素原子が 212 個、アルミニウム原子が 65 個、鉄原子が 19 個あります。つまり、地殻原子の 92% が何らかの形でこれら 4 つの元素に当てはまります。

地球の地殻は宇宙の実験サンプルではなく、さらには地球全体の実験サンプルでもありません。 地球の「核」（地球の質量の3分の1を占める中心領域）は、ほぼすべて鉄で構成されていると言われています。 これを考慮すると、地球全体の質量の38％が鉄、28％が酸素、15％がシリコンです。 4 番目に豊富な元素はアルミニウムではなくマグネシウムである可能性があり、地球の質量の最大 7% を占めます。 これら 4 つの元素を合わせると、地球全体の質量の 7/8 を構成します。 地球上の通常の原子 1000 個ごとに、酸素原子が 480 個、鉄原子が 215 個、ケイ素原子が 150 個、マグネシウム原子が 80 個あり、この 4 つを合わせると地球上の全原子の 92.5% を占めます。 しかし、地球は太陽系の典型的な惑星ではありません。 おそらく、金星、水星、火星、月は、その構造が地球と非常によく似ており、石質の物質で構成されており、金星や水星と同様に鉄分が豊富な核を持っています。 ある程度、同じことが衛星や一部の小惑星にも当てはまりますが、これらすべての岩石の世界（鉄心の有無にかかわらず）は、太陽の周りを周回するすべての天体の総質量の 0.5 パーセントを占めません。 太陽系の質量の残りの 99.5% (太陽の質量を除く) は、木星、土星、天王星、海王星という 4 つの巨大な惑星に属します。 木星 (すべての中で最大) だけが総質量の 70% 以上を占めています。

おそらく木星の核は比較的小さな岩石状の金属核を持っていると考えられます。 分光学のデータと惑星のサンプルから判断すると、巨大惑星の構造は水素とヘリウムで構成されています。 これは他の巨大惑星にも当てはまるようです。

しかし、太陽の話に戻りましょう。太陽の質量は、木星から小さな塵に至るまで、すべての惑星体を合わせた質量の 500 倍です。 (主に分光法により) その体積が同じ水素とヘリウムで満たされていることがわかります。 実際、その質量の約 75% が水素、22% がヘリウム、そして 3% が他のすべての元素を合わせたものです。 太陽の原子の量的組成は、太陽原子 1000 個ごとに 920 個の水素原子と 80 個のヘリウム原子が存在することになります。 他のすべての元素を表す原子は 1,000 個に 1 個未満です。

間違いなく、太陽は太陽系全体の質量の大部分を占めており、その元素組成が太陽系全体を代表していると判断するのはそれほど間違いではありません。 圧倒的多数の恒星は、元素組成が太陽に似ています。 さらに、星間および銀河間空間を満たす希ガスも主に水素とヘリウムであることが知られています。

したがって、宇宙全体の 1000 個の原子のうち、920 個が水素、80 個がヘリウム、そして 1 個未満がその他すべてであると結論付けることができます。

何故ですか？ 水素とヘリウムの宇宙はビッグバンと関係があるのでしょうか? 明らかにそうです。 少なくともガモフの推論体系に関する限り、体系は改善されましたが、基本的には変わっていません。

仕組みは次のとおりです。 ビッグバンの直後、膨張していた宇宙は、私たちが知っている原子の構成要素である陽子、中性子、電子が形成されるまで冷却されました。 当時まだ蔓延していた巨大な気温の条件では、これ以上複雑なものは存在しえませんでした。 粒子は互いに結合することができず、そのような温度では、たとえ衝突したとしても、すぐにさまざまな方向に跳ね返りました。

これは、現在の宇宙の温度のようなはるかに低い温度であっても、陽子と陽子、または中性子と中性子の衝突において当てはまります。 しかし、宇宙進化の初期段階の温度が下がり続けると、陽子と中性子の衝突において、2つの粒子が一緒に留まることが可能になる瞬間がやって来ました。 それらは、既知の 4 つの力の中で最も強い、いわゆる強い力によって結合されています。

この章の前半で説明したように、プロトン 1 は水素の原子核です。 しかし、陽子と中性子の組み合わせも水素原子核です。これは、陽子が 1 つあるためであり、水素原子核として認められるにはそれだけで十分です。 これら 2 種類の水素原子核 (陽子と陽子 - 中性子) は水素同位体と呼ばれ、含まれる粒子の総数に応じて定義されます。 粒子が 1 つだけある陽子が水素 1 原子核です。 2 つの粒子のみを含む陽子と中性子の組み合わせが水素 2 原子核です。

宇宙初期の高温でさまざまな原子核が形成されたとき、水素 2 原子核はあまり安定していませんでした。 それは、別々の陽子と中性子に崩壊するか、または追加の粒子と結合して、その後により複雑な（しかしおそらくより安定した）原子核を形成することを目指していました。 水素 2 原子核は陽子と衝突して結合し、2 つの陽子と 1 つの中性子からなる原子核を形成します。 この組み合わせでは、陽子が 2 つあり、ヘリウム原子核が得られます。原子核には 3 つの粒子があるため、これはヘリウム 3 です。

水素 2 が中性子と衝突して閉じると、1 つの陽子と 2 つの中性子 (これも 3 つの粒子が一緒になったもの) からなる原子核が形成されます。 その結果が水素-3です。

水素 3 は、現代宇宙の低温であっても、どの温度でも不安定であるため、他の粒子の影響や衝突がなくても、絶えず変化します。 水素 3 の原子核にある 2 つの中性子のうち 1 つは遅かれ早かれ陽子に変わり、水素 3 はヘリウム 3 になります。 現在の状況では、この変化はそれほど速くありません。12 年強で水素 3 原子核の半分がヘリウム 3 に変わります。 宇宙初期の膨大な温度では、この変化は間違いなくより急速でした。

したがって、現代の条件下で安定な原子核は、水素 1、水素 2、ヘリウム 3 の 3 種類になりました。

ヘリウム 3 の粒子は水素 2 の粒子よりもさらに弱く相互に結合しており、特に宇宙初期の高温では、ヘリウム 3 はさらなる粒子の追加によって崩壊または変化する強い傾向があります。

ヘリウム 3 がたまたま陽子に遭遇し、結合しなければならなかった場合、3 つの陽子と 1 つの中性子からなる原子核ができます。 それはリチウム 4 です。これは、地表の低温でも陽子の 1 つがすぐに中性子に変わるため、どの温度でも不安定です。 その結果、2 つの陽子、2 つの中性子、またはヘリウム 4 の組み合わせが生成されます。

ヘリウム 4 は非常に安定した原子核であり、水素 1 を形成する単一の陽子を除けば常温で最も安定です。 一度形成されると、たとえ非常に高い温度であっても崩壊する傾向はほとんどありません。

ヘリウム 3 が中性子と衝突して結合すると、すぐにヘリウム 4 が形成されます。 2 つの水素 2 原子核が衝突して融合すると、再びヘリウム 4 が形成されます。 ヘリウム 3 が水素 2 または別のヘリウム 3 と衝突すると、ヘリウム 4 が形成され、余分な粒子は個々の陽子と中性子としてふるい分けされます。 したがって、ヘリウム 4 は水素 2 とヘリウム 3 を犠牲にして生成されます。

実際、陽子と中性子が結合してより複雑な原子核を形成できる温度まで宇宙が冷えたとき、大量に形成された最初のそのような原子核はまさにヘリウム 4 でした。

宇宙が膨張と冷却を続けるにつれて、水素 2 とヘリウム 3 はますます変化する意欲を失い、それらの一部はいわば不変の存在に凍結されました。 現在、水素原子 2 は 7,000 個につき 1 個だけです。 ヘリウム 3 はさらに稀で、ヘリウム原子は 100 万個に 1 個だけです。 したがって、水素 2 とヘリウム 3 を考慮しなくても、宇宙が十分に冷えた直後には、水素 1 とヘリウム 4 の原子核で構成されていたと言えます。 したがって、宇宙の質量は 75% の水素 1 と 25% のヘリウム 4 で構成されていました。

時間が経つにつれて、温度が十分に低い場所では、原子核はマイナスに帯電した電子を引き寄せ、その電子は電磁相互作用（4 つの相互作用のうち 2 番目に強い）の力によってプラスに帯電した原子核に保持されました。 水素 1 原子核の 1 つの陽子は 1 つの電子と結合し、ヘリウム 4 原子核の 2 つの陽子は 2 つの電子と結合します。 このようにして水素原子とヘリウム原子が形成されました。 量的に言えば、宇宙には 1,000 個の原子ごとに、920 個の水素 1 原子と 80 個のヘリウム 4 原子が存在します。

これが水素とヘリウムの宇宙の説明です。 でも、ちょっと待ってください！ ヘリウムよりも重くて原子量が大きい原子はどうなるでしょうか? (原子核内に 4 つ以上の粒子を含むすべての原子を「重い原子」という記号の下に集めてみましょう)。 宇宙には重い原子はほとんどありませんが、存在します。 彼らはどのようにして現れたのでしょうか？ 論理的には、ヘリウム 4 は非常に安定していますが、陽子、中性子、水素 2、ヘリウム 3、または他のヘリウム 4 と結合して、少量のさまざまな重原子を形成する傾向がわずかにあります。 これは、これらの原子からなる今日の宇宙の質量の約 3% の源です。

残念ながら、この答えは精査に耐えられないでしょう。 ヘリウム 4 が水素 1 (陽子 1 個) と衝突し、それらが結合した場合、陽子 3 個と中性子 2 個を含む原子核ができます。 それはリチウム5になります。 ヘリウム 4 が中性子と衝突して融合すると、陽子 2 個と中性子 3 個を含む原子核、つまりヘリウム 5 が生成されます。

リチウム 5 もヘリウム 5 も、たとえ冷却された宇宙の条件で生成されたとしても、1 兆分の 1 秒以上存続しません。 この期間中に、それらはヘリウム 4 に崩壊するか、陽子や中性子に崩壊します。

原始混合物中の最後の 2 つの原子核がどれほど稀であるかを考えると、ヘリウム 4 が水素 2 またはヘリウム 3 と衝突して合体する可能性は非常にとらえどころがありません。 このようにして形成された可能性のある重原子は、今日存在する原子の多くを占めるには少なすぎます。 1 つのヘリウム 4 原子核を別のヘリウム 4 原子核と結合する可能性が高くなります。 このような陽子 4 個と中性子 4 個からなる二重原子核はベリリウム 8 となるはずです。 しかし、ベリリウムも非常に不安定な原子核です。現在の宇宙の条件下でも、その存在時間は 1 兆分の 100 秒未満です。 形成されると、すぐに 2 つのヘリウム 4 原子核に分裂します。

もちろん、ヘリウム 4 の 3 つの原子核が「三方向」衝突の結果出会い、互いにくっついていれば、何か賢明なことが起こったでしょう。 しかし、ヘリウム 4 がそれを支配する水素 1 に囲まれている環境でこれが起こるという期待は、考慮に入れるには小さすぎます。

したがって、宇宙が膨張し、複雑な原子核の形成が終了する点まで冷却されるまでには、水素 1 とヘリウム 4 だけが豊富に存在することになります。 自由中性子が残っている場合、それらは陽子 (水素 1) と電子に崩壊します。 重原子は形成されません。

このような宇宙では、水素とヘリウムのガスの雲が銀河サイズの塊に分裂し、後者は星や巨大な惑星に凝縮します。 その結果、恒星も巨大惑星もほぼ完全に水素とヘリウムで構成されています。 そして、一部の重い原子が質量のわずか 3%、存在する原子の数の 1% 未満しか構成していない場合、そのことを心配する意味はあるのでしょうか?

それは理にかなっている！ この 3% については説明が必要です。 地球のような惑星はほぼ重原子だけで構成されているため、恒星や巨大惑星に含まれるごくわずかな量の重原子を無視してはなりません。 さらに、人体および生物一般において、水素は質量の 10% を占めるに過ぎず、ヘリウムはまったく存在しません。 質量の残りの 90% はすべて重原子です。

言い換えれば、もし宇宙がビッグバン直後に変化せず、原子核の形成過程が完了していれば、地球のような惑星やその上の生命そのものは、何らかの形で存在することはまったく不可能であるということです。

あなたと私がこの世界に現れる前に、まず重原子が形成されなければなりませんでした。 しかし、どうやって？

実際、星の深部で核がどのように形成されるかについてはすでに話したので、これは私たちにとってもはや謎ではありません。 たとえば、私たちの太陽では、その中心領域で水素が継続的にヘリウムに変換されます（水素核融合。これは太陽のエネルギー源として機能します。水素核融合は他のすべての主系列星でも行われます）。

これが可能な唯一の変換であり、この変換が現在の速度で無限に続く運命にある場合、すべての水素が合成され、宇宙は約 5,000 億年 (宇宙の年齢の 30 ～ 40 倍) の間、純粋なヘリウムで構成されることになります。 。 それでも、巨大な原子の出現は明らかではありません。

私たちが今知っているように、巨大な原子は星の核から始まります。 しかし、彼らは、そのようなスターがメインシーケンスを離れる時が来たときにのみ生まれます。 この極致の瞬間までに、原子核は非常に高密度で高温になるため、ヘリウム 4 原子核は最大の速度と頻度で互いに衝突します。 時々、3 つのヘリウム 4 原子核が衝突し、6 つの陽子と 6 つの中性子からなる 1 つの安定した原子核に融合します。 それは炭素12です。

ビッグバン直後ではなく、なぜ星の中心で三重衝突が起こるのでしょうか?

さて、主系列から離れる準備をしている星の中心では、巨大な圧力の下で温度が約1億℃に達します。 このような温度と圧力は、非常に若い宇宙にも固有のものです。 しかし、星の核には大きな利点が 1 つあります。星の核にヘリウム 4 原子核を輸送する水素 1 原子核以外の原子核が存在しない場合、ヘリウム 4 の三重衝突が非常に起こりやすくなります。

これは、重い原子核がビッグバン直後に形成されたわけではないにもかかわらず、宇宙の歴史を通して星の内部で重い原子核が形成されてきたことを意味します。 さらに、現在も将来も、星の中心には重い原子核が形成されるでしょう。 そして、炭素原子核だけでなく、鉄を含む他のすべての巨大な原子核も同様であり、これは、言われているように、星の通常の核融合プロセスの終わりです。

しかし、まだ 2 つの疑問が残っています。1) 星の中心で発生した重い核は、どのようにして宇宙に広がり、地球上と私たちの両方に存在するのでしょうか? 2) 鉄原子核よりも重い原子核を持つ元素はどのようにして形成されるのでしょうか? 結局のところ、最も大きく安定した鉄の核は鉄 58 であり、26 個の陽子と 32 個の中性子で構成されています。 しかし、地球上にはさらに重い原子核があり、92 個の陽子と 146 個の中性子を持つウラン 238 まで存在します。

まず最初の質問を見てみましょう。 宇宙における恒星物質の拡散に寄与するプロセスはあるのでしょうか?

存在。 そしてそのうちのいくつかは、私たち自身の太陽を研究することではっきりと感じることができます。

肉眼では（必要な予防措置を講じた場合）、太陽は穏やかで特徴のない明るい球体に見えるかもしれませんが、私たちはそれが絶え間ない嵐の状態にあることを知っています。 その内部の高温は、上層に対流運動を引き起こします（沸騰寸前の水の入った鍋の中のように）。 太陽物質はあちこちで上昇し、表面を破壊し続けているため、太陽の表面は対流柱である「顆粒」で覆われています。 （そのような粒子は、太陽表面の写真では非常に小さく見えますが、実際には、まともなアメリカまたはヨーロッパの州の面積があります。）

対流物質は上昇するにつれて膨張して冷却され、一旦表面に上がると、新たなより熱い流れのためのスペースを作るために再び下降する傾向があります。

この永遠のサイクルは一瞬たりとも止まらず、太陽の中心核から表面への熱の伝達を助けます。 地表からは、エネルギーが放射線の形で宇宙に放出され、そのほとんどは私たちが目にする光であり、地球上の生命そのものもそれに依存しています。

対流のプロセスは、放射線が宇宙に逃げるだけでなく、実際の太陽物質の山全体が放出されるとき、星の表面で異常な出来事を引き起こすことがあります。

1842年、南フランスと北イタリアで皆既日食が観測されました。 当時、日食は通常、大きな天文台から離れた地域で起こり、特別な装備を満載して長距離を移動するのは決して簡単ではなかったため、日食は​​詳細に研究されることはほとんどありませんでした。 しかし、1842 年の日食は西ヨーロッパの天文中心付近を通過し、天文学者たちは機器を持って全員そこに集まりました。

太陽の縁の周りに、太陽の円盤が月で覆われたときにはっきりと見えるようになった、赤熱した紫色の物体があることが初めてわかりました。 それは太陽物質のジェットが宇宙に発射されたように見え、これらの燃えるような舌は「プロミネンス」と呼ばれました。

しばらくの間、天文学者たちはこれらのプロミネンスが月に属するのか太陽に属するのかについて依然として迷っていましたが、1851 年に別の日食が発生し、今回はスウェーデンで観測されました。注意深い観察により、プロミネンスは太陽現象であり、月は彼らとは何の関係もありません。

それ以来、プロミネンスは定期的に研究されており、現在では適切な機器でいつでも観察できるようになりました。 これを行うには皆既日食を待つ必要はありません。 プロミネンスの中には、強力な弧を描いて上昇し、太陽の表面から数万キロメートルの高さに達するものもあります。 秒速1300kmで上向きに爆発するものもある。 プロミネンスは太陽の表面で観察される最も壮観な現象ですが、それでも最大のエネルギーを運ぶわけではありません。

1859 年、英国の天文学者リチャード キャリントン (1826 ～ 1875 年) は、太陽の表面で星型の光点が点滅し、5 分間燃えて消えていることに気づきました。 これは、私たちが現在太陽フレアと呼んでいるものを記録した最初の記録でした。 キャリントン自身は、大きな隕石が太陽に落ちたと考えていた。

キャリントンの観測は、アメリカの天文学者ジョージ・ヘイルが 1926 年に分光ヘリオスコープを発明するまで注目を集めませんでした。 これにより、特殊な波長の光で太陽を観察できるようになりました。 太陽フレアは、いくつかの波長の光を著しく多く含んでおり、太陽をこれらの波長で見ると、フレアは非常に明るく見えます。

現在、太陽フレアは一般的であり、黒点と関連しており、太陽に黒点が多数ある場合、小さなフレアが数時間ごとに発生し、より大きなフレアが数週間ごとに発生することがわかっています。

太陽フレアは太陽表面での高エネルギー爆発であり、フレアが発生する表面の部分は周囲の他の領域よりもはるかに高温になります。 太陽の表面の 1,000 分の 1 を覆うフレアでも、太陽の通常の表面全体が放出するよりも多くの高エネルギー放射線 (紫外線、X 線、さらにはガンマ線) が放出される可能性があります。

プロミネンスは非常に印象的に見え、数日間存在する可能性がありますが、太陽がプロミネンスを通して失う物質はほとんどありません。 フラッシュは全くの別物です。 それらはあまり目立たず、その多くは数分しか続かず、最大のものでさえ数時間後に完全に消えますが、物質を宇宙に吹き飛ばすほどの高いエネルギーを持っています。 この問題は永遠に忘れ去られる。

これは 1843 年に理解され始めました。ドイツの天文学者サミュエル ハインリヒ シュワーベ (1789 ～ 1875 年) が 17 年間毎日太陽を観察し、太陽の表面の黒点の数が約 11 年間にわたって増減していると報告しました。

1852 年、英国の物理学者エドワード セービン (1788 ～ 1883 年) は、地球の磁場の乱れ (「磁気嵐」) が黒点の周期と同時に増減することを観察しました。

当初、それは単なる統計上の記述にすぎませんでした。なぜなら、その関連性が何であるか誰も知らなかったからです。 しかし、時間が経つにつれ、太陽フレアのエネルギー的な性質が理解され始めると、関連性が発見されました。 大規模な太陽フレアが太陽円盤の中心近く（したがって地球に直接面していた）で爆発した2日後、地球上のコンパスの針が狂い、オーロラはまったく珍しい外観になりました。

この 2 日間の待機には大きな意味がありました。 これらの影響が太陽放射によって引き起こされた場合、発生からその影響までの時間間隔は 8 分になります。太陽放射は光の速度で地球に向かって飛んでいきます。 しかし、2日の遅れは、これらの影響を引き起こす「トラブルメーカー」が何であれ、太陽から地球まで時速約300kmの速度で移動しなければならないことを意味した。 もちろん速いですが、光の速さには到底及びません。 このような速度は素粒子から期待できます。 太陽現象の結果として地球の方向に放出されたこれらの粒子は、電荷を運び、地球を通過する際に、このようにコンパスの針やオーロラに影響を与えたはずです。 太陽から放出される素粒子の考えが理解され取り上げられると、太陽の別の特徴が明らかになり始めました。

太陽が皆既日食の状態にあるとき、単純な目で見ると、太陽の代わりに、曇った月の黒い円盤が中心にあり、その周囲に真珠色の輝きが見えます。 この輝き（または明るさ）は太陽冠であり、その名前はラテン語のコロナ、冠（冠は一種の輝く冠、またはハローで太陽を囲んでいます）に由来しています。

前述の 1842 年の日食は、プロミネンスの科学的研究の始まりにつながりました。 そこで初めてクラウンが注意深く検査されました。 彼女も月ではなく太陽に属していることが判明しました。 1860年以来、写真、そしてその後は分光法がコロナ研究に関わってきました。

1870 年、スペインで日食が起こったとき、アメリカの天文学者チャールズ ヤング (1834 ～ 1908 年) が初めてコロナのスペクトルを研究しました。 彼はスペクトルの中で、既知の元素のどの既知の線の位置にも対応しない明るい緑色の線を発見しました。 他にも奇妙な線が発見され、ヤングはそれらが何らかの新しい元素を表していると考え、それを「コロニー」と名付けました。

この「コロニー」が何の役に立つのかというと、ある種のスペクトル線があるということだけです。 それまでは、いや、原子の構造の性質が説明されるまでは。 各原子は中心の重い原子核とその周囲の 1 つ以上の軽い電子で囲まれていることが判明しました。 電子が原子から離れるたびに、その原子によって生成されるスペクトル線が変化します。 化学者は、2 つまたは 3 つの電子が消えた原子のスペクトルを明らかにすることはできましたが、大量の電子を除去し、そのような条件下でスペクトルを研究する技術はまだ利用できませんでした。

1941 年、ベングト・エドレンは「コロニウム」がまったく新しい元素ではないことを示すことができました。 普通の元素である鉄、ニッケル、カルシウムは、電子を 12 個取り除くと、まったく同じ線を残します。 つまり、「コロニウム」は多くの電子を欠いている普通の元素でした。

このような大規模な電子不足は異常な高温によってのみ引き起こされる可能性があり、エドレンは太陽コロナの温度が 100 万度か 200 万度であるはずだと示唆しました。 当初、このことは一般に信じられないと思われましたが、最終的にロケット技術の時代が到来すると、太陽コロナが X 線を放出し、これはエドレンが予測した温度でのみ発生することが判明しました。

つまり、コロナは太陽の外気であり、太陽フレアによって放出された物質によって継続的に供給されています。 コロナは非常に放射性の物質であり、1立方センチメートル中に粒子が10億個未満しかないほど希薄であり、これは海面における地球の大気の密度の約1兆分の1である。

実際、これは本当の真空です。 太陽のフレア、磁場、絶え間なく轟く対流による巨大な音波振動によって太陽の表面から放出されるエネルギーは、比較的少数の粒子に分配されます。 コロナに含まれる熱は (そのかなりの体積を考えると) どれも小さいですが、これらの少数の粒子のそれぞれが持つ熱量は非常に高く、測定された温度が意味するのはこの「粒子あたりの熱」です。

コロナ粒子は、太陽表面から外側に放出された個々の原子であり、その電子のほとんどまたはすべてが高温によって奪われています。 太陽は大部分が水素で構成されているため、これらの粒子のほとんどは水素原子核、つまり陽子です。 量的には水素に次いでヘリウム原子核が続く。 他のすべてのより重い原子核の数はまったく無視できます。 そして、いくつかの重い核は有名なコロニウムの線を引き起こしますが、それらは痕跡の形でのみ存在します。

コロナ粒子は太陽からあらゆる方向に遠ざかっていきます。 コロナが蔓延するにつれて、コロナはますます多くの体積を占め、より希少になります。 その結果、その光はますます弱まり、太陽から少し離れたところで完全に消えてしまいます。

しかし、観察者の目から完全に消える点までコロナが弱まったという事実自体は、コロナが宇宙に突入する粒子の形で存在し続けないことを意味するものではありません。 アメリカの物理学者ユージン・パーカー (1927 年生まれ) は 1959 年にこれらの高速粒子を太陽風と呼びました。

太陽風は拡大し、最も近い惑星に到達し、さらに遠くまで到達します。 ロケット実験では、太陽風は土星の軌道を越えても検出可能であり、海王星や冥王星の軌道を越えても検出できる可能性が高いことが示されている。

言い換えれば、太陽の周りを公転するすべての惑星は、その最も広い大気の内部を移動します。 しかし、この大気は非常に希薄であるため、惑星の運動に目に見える形で影響を与えることはありません。

しかし、太陽風は幽霊のようなものではなく、さまざまな形で現れません。 太陽風の粒子は帯電しており、地球の磁場に捕らえられたこれらの粒子は、オーロラを発火させ、コンパスや電子機器を混乱させる「ヴァン・アレン帯」を形成します。 太陽フレアは太陽風を瞬間的に増幅させ、これらの影響の強度をしばらくの間大幅に増大させます。

地球の近くでは、太陽風の粒子が秒速 400 ～ 700 km の速度で押し寄せ、1 cm 3 あたりの数は 1 ～ 80 と変化します。これらの粒子が地表に衝突すると、最も有害な影響を及ぼします。すべての生き物は幸いなことに、地球の磁場と大気によって守られています。

太陽風によって太陽から失われる物質の量は毎秒10億kgです。 人間の基準からすればそれは非常に大きなことですが、太陽にとってはほんの些細なことです。 太陽は約 50 億年間主系列上に存在しており、さらに 50 ～ 60 億年間は主系列上に留まるでしょう。 この間ずっと質量を失い続けており、現在の速度で風に乗って質量を失い続けるとすれば、主系列星としての太陽の生涯の全期間にわたる太陽の総損失は、太陽の質量の 5 分の 1 になります。質量。

それにもかかわらず、固体星の質量の 1/5 は、星間の広大な空間を漂う物質の総供給量に追加される平均的な量ではありません。 これは、物質がどのようにして星から遠ざかり、星間ガスの総供給源に加わるのかを示す一例にすぎません。

この意味では、私たちの太陽は珍しいことではありません。 まだ崩壊していないすべての星が星風を送っていると信じる十分な理由があります。

もちろん、太陽を研究するのと同じ方法で星を研究することはできませんが、いくつかの一般化は可能です。 たとえば、不規則な間隔で、光の白化を伴う突然の明るさの増加を示す、小さくて冷たい赤色矮星があります。 この増幅は数分から1時間続き、小さな星の表面の閃光と間違えられるほどの特徴があります。

したがって、これらの赤色矮星はフレア星と呼ばれます。

太陽フレアよりも規模が弱くないフレアは、小さな星に対してより顕著な影響を及ぼします。 十分に大きなフレアが太陽の輝きを 1% 増加させることができる場合、同じフレアは暗い星の光を 250 倍に増幅するのに十分です。

その結果、赤色矮星が非常に印象的な質の恒星風を送っていることが判明するかもしれない。

一部の星は異常に強い星風を吹き出す可能性があります。 たとえば、赤色巨星は異常に引き伸ばされた構造をしており、最大のものは直径が太陽の500倍もあります。 したがって、巨大な赤色巨星の大きな質量は、中心から表面までの異常に長い距離によってかろうじてバランスが保たれているため、その表面重力は比較的小さい。 さらに、赤色巨星はその存在の終わりに近づき、崩壊とともに終わります。 したがって、彼らは非常に混乱しています。

このことから、表面引力が弱いにもかかわらず、強力な渦が恒星物質を運び去っていると推測できます。

大きな赤色巨星ベテルギウスは私たちに十分近いので、天文学者はそれに関するデータを収集することができます。 例えば、ベテルギウスの恒星風は太陽の10億倍強いと考えられています。 ベテルギウスの質量が太陽の16倍であることを考慮しても、この質量の減少速度では、（もっと早く崩壊しなければ）約100万年以内にこの質量は完全に溶ける可能性がある。

どうやら、私たちの星の太陽風は、一般的にすべての恒星風の平均的な強さからそれほど遠くないと仮定できます。 私たちの銀河系に 3,000 億個の星があると仮定すると、恒星風によって失われる総質量は 3 x 1020 kg/s になります。

これは、200 年ごとに、太陽の質量に等しい量の物質が星間空間に星々を残すことを意味します。 私たちの銀河系が誕生して 150 億年、この間に太陽風が同じように「吹いた」と仮定すると、星から宇宙に移動した物質の総質量は、太陽のような 7,500 万個の星の質量に等しいことがわかります。 、または銀河の約 1/3 の質量。

しかし、恒星風は恒星の表層から発生し、これらの層は完全に (またはほぼ完全に) 水素とヘリウムで構成されています。 したがって、恒星風には完全に（またはほぼ完全に）同じ水素とヘリウムが含まれており、銀河混合物に重い原子核が導入されることはありません。

重い核は星の中心で形成され、星の表面から遠く離れているため、星風の形成中は静止したままになります。

恒星の構造の上層に重い原子核の痕跡がいくつかある場合（太陽のように）、恒星風には自然にこれらの少数の原子核が含まれます。 重い核はもともと星の内部で形成されたのではなく、星がすでに形成されたときにそこに現れました。 それらは、私たちが見つけなければならない何らかの外部ソースの作用から生じました。

恒星風が重い原子核を星の中心から宇宙空間に輸送するメカニズムではない場合、星が主系列から離れるときに起こる暴力的な出来事に注目することになります。

ここでは、すぐにほとんどの星印を取り消す必要があります。

現存する星の約 75 ～ 80% は太陽よりもはるかに小さいです。 それらは、その小ささに応じて 200 億年から 2,000 億年の間、主系列に留まります。これは、現在存在する小さな星はどれも主系列から離れたことがないことを意味します。 ビッグバン後の最初の数十億年間、宇宙の黎明期に形成された最も古いものでさえ、主系列から離れる必要がある時点まで水素燃料を使い切る時間がまだありません。

また、小さな星が主系列から離れるときも、静かに去ります。 私たちが知る限り、星が小さければ小さいほど、この星列から離れるときは穏やかになります。 小さな星（一般にすべての星と同じように）は膨張して赤色巨星になりますが、この場合、この膨張は小さな赤色巨星の形成につながります。 おそらく他のものよりもはるかに長く生き、大きくて目立つでしょう、そして最終的には崩壊することによって、多かれ少なかれ静かに白色矮星に変わるでしょう、もちろんシリウスBほど密度は高くありません。

小さな星の深部で形成された重元素（主に炭素、窒素、酸素）は、主系列での存在中にその中心に残り、星が白色矮星に変化した後もそこに残ります。 いかなる状況であっても、それらが微量以上の量で星間ガスの貯蔵庫に送られることはありません。 非常にまれな場合を除いて、小さな星から発生した重元素は、これらの星に永久に残ります。

太陽と同じ質量の星（そのうちの 10 ～ 20%）は崩壊して白色矮星に変わり、主系列に留まるのは 50 ～ 150 億年だけです。 私たちの太陽は、約 100 億年間主系列に存在するはずですが、形成されたのが 50 億年前であるため、まだ主系列に存在しています。

私たちの太陽よりも古い、太陽に似た星々は、おそらく今ではとっくに主系列から離れているでしょう。 同じことが、宇宙の初期に誕生した他の同様の星にも起こりました。 太陽と同じ質量の星は小さな星よりも大きな赤色巨星を形成し、白色矮星になるまでに達した赤色巨星はこれらの星よりも激しく崩壊します。 崩壊のエネルギーは星の上部のベールを吹き飛ばし、それらを宇宙に運び、前述したタイプの惑星状星雲を形成します。

太陽の形をした星の崩壊中に形成される膨張するガスの塊には、元の質量の 10 ～ 20% が含まれることがあります。 しかし、この物質は星の外側領域から運び去られ、そのような星が崩壊の危機に瀕しているときでも、これらの領域は本質的には水素とヘリウムの混合物にすぎません。

崩壊点にある星の乱流の結果として、その内部から重い原子核が表面に持ち出され、ガス流の一部として宇宙空間に放出されたとしても、それはまだ、星のほんの小さな、ほとんど目立たない部分にすぎません。星間ガス雲の中に存在する重い原子核。

しかし、白色矮星がどのように形成されるかについては止めたので、次の質問は適切です。白色矮星が終わりを意味するのではなく、空間内の物質の分布の一要素として機能する特殊な場合には何が起こるのでしょうか?

この本の前半で、赤色巨星の段階に近づいている伴星を犠牲にして物質を蓄積できる近接連星系の一部としての白色矮星について話しました。 時々、白色矮星の表面にある物質の一部が核反応で覆われ、放出された膨大なエネルギーによって核融合生成物が勢いよく宇宙に投げ込まれ、新たな明るさで燃え上がります。

しかし、白色矮星によって構築されている物質の大部分は、膨張する赤色巨星の外層からの水素とヘリウムです。 核融合反応によって水素がヘリウムに変化し、爆発時に宇宙に飛び散るのがヘリウム雲です。

これは、この最後のケースで、もし重い核が伴星から来たか合成の過程で形成されたとしても、その数はごくわずかであるため、星間雲に散在する多くの重い核を説明できないことを意味します。

私たちには何が残っているでしょうか？

重い原子核の唯一の発生源は超新星です。

先ほど説明したように、タイプ 1 超新星は通常の新星と同じ土壌で発生します。白色矮星は、赤色巨星になろうとしている近くの伴星から物質を受け取ります。 違いは、ここでは白色矮星がチャンドラセカールの質量限界にあるため、追加された質量により最終的にその限界を超えてしまうということです。 白色矮星は崩壊する運命にある。 同時に強力な核反応が起こり爆発します。

太陽質量の 1.4 倍に相当するその構造全体は粉々に砕け、膨張するガスの雲に変わります。

しばらくの間、私たちはそれを超新星として観察しますが、この放射線は最初の瞬間は非常に強かったですが、徐々に消えていきます。 残るのはガスの雲だけで、星間ガスの一般的な背景と融合するまで何百万年も膨張します。

白色矮星が爆発すると、大量の炭素、窒素、酸素、ネオン（最も一般的な元素のすべての重核のうち）が宇宙に飛散します。 爆発自体の間に、さらなる核反応が起こり、その結果、ネオンよりもさらに重い少量の原子核が形成されます。 もちろん、タイプ 1 超新星になるのに十分な質量があり、大きな伴星に十分近い白色矮星はほんのわずかしかありませんが、銀河の寿命の 140 億年の間に、そのような爆発が非常に多く発生したため、さらに多くの超新星が発生する可能性があります。星間ガス中に存在するかなりの数の重核を説明するよりも。

残りの重い核は、タイプ 2 超新星の進化の結果として星間物質に存在しており、前述したように、太陽の 10 倍、20 倍、さらには 60 倍も重い大質量星について話しているのです。

赤色巨星の形で星が存在する段階では、その中心で核融合が起こり、そこに鉄の原子核が大量に形成され始めるまで続きます。 鉄の生成は行き止まりであり、これを超えると核融合はエネルギー生成装置として存在できなくなります。 したがって、星は崩壊を迎えています。

星の核には、鉄核に至るまで、より深い層の重い核が含まれていますが、星の外側の領域には、核反応を引き起こす可能性のある高温や高圧に一度もさらされていない、依然として大量の無傷の水素が存在しています。

巨星の崩壊は非常に急速であり、温度と圧力の両方が急激で壊滅的な上昇を経験します。 これまで邪魔されなかったすべての水素（ヘリウムも）が、一斉に反応し始めています。 その結果、地球からはタイプ 2 超新星として観測される巨大な爆発が起こります。

この場合に放出されるエネルギーは、鉄の原子核よりも重い原子核を形成する可能性のある核反応に進む可能性があり、実際に起こります。 このような原子核の形成にはエネルギーの流入が必要ですが、超新星の猛威の真っ只中では、エネルギーが占有されることはありません...これが、ウラン以上の原子核が形成される方法です。 放射性（つまり、不安定な）原子核を形成するのに十分なエネルギーがあり、時間の経過とともに崩壊します。

実際、宇宙に存在するすべての重原子核は、タイプ 2 超新星爆発の結果として形成されました。

もちろん、タイプ 2 超新星が確実に出現するような大質量星は、一般的ではありません。 これに十分な質量を持つ星は 100 万個に 1 個だけ、あるいはそれより少ないかもしれません。 ただし、これは一見したように見えるほど珍しいケースではありません。

したがって、私たちの銀河系にはタイプ 2 超新星となる可能性のある星が数万個あります。

巨星は主系列にせいぜい数百万年しか留まらないので、なぜずっと前に爆発して消滅しなかったのか、と私たちは疑問に思う権利があります。 実際には、新しい星は常に形成されており、その中には非常に大きな質量を持つ星もあります。 私たちが現在観察しているタイプ 2 超新星は、わずか数百万年前に形成された星の噴火です。 遠い将来に起こるタイプ2超新星は、現在はまだ存在していない大きな星が爆発する現象です。 もしかしたら、超新星やもっと壮大な超新星が起こるかもしれない。 比較的最近まで、天文学者は太陽の 60 倍の質量を持つ星はおそらく存在しないと確信していました。 このような星は、その中心部で非常に多くの熱が発生し、巨大な重力にもかかわらず、即座に爆発すると考えられていました。

言い換えれば、それらは決して形成することさえできないでしょう。

しかし、1980 年代に、アインシュタインの一般相対性理論のいくつかの側面がこれらの議論では考慮されていないことが判明しました。 これらの側面が天文学的な計算で考慮された後、太陽の直径が 100 倍、質量が太陽の 2000 倍の星がまだ安定していることが判明しました。 さらに、いくつかの天体観測により、そのような超大質量星が実際に存在することが確認されています。

当然のことながら、超大質量星は最終的には崩壊して超新星として爆発し、通常の超新星よりもはるかに長い時間にわたってより多くのエネルギーを生成します。 これらの超爆発は明らかにタイプ 3 超新星と考えられるべきです。

同じ頃、ソビエトの天文学者V.P.ウトロビンは、そこで超新星を見つけるために過去数年の天文記録を遡及的に研究することを決意し、その性質上タイプ3超新星であると彼は示唆した。ペルセウス座、まさにその通りです。 この超新星は、数日または数週間でピークに達するのではなく、最大の明るさに達するまでに 1 年かかり、その後は非常にゆっくりと減光し、その後 9 年間見え続けました。

それによって放出された総エネルギーは、通常の超新星のエネルギーの10倍でした。 私たちの時代でも、天文学者はこれは素晴らしいことだと考えていましたが、明らかに困惑していました。

このような超重星は非常に稀ですが、生成する重い核の数は通常の超新星が生成する核の数の1000倍以上です。 これは、超重星による星間ガス雲への重い原子核の寄与が非常に大きいことを意味します。 私たちの銀河系では、その存在中に明らかに 3 億回のさまざまな超新星爆発 (そして、サイズの違いを調整した同様の数の超新星爆発) があり、これは星間ガス中の重原子核の埋蔵量を説明するのに十分です。 、普通の星の外層（そして私たちの惑星系に加えて、どの惑星でも）。

これで、事実上地球全体と私たち全員が、（太陽を除く）星の内部で形成され、初期の超新星爆発の間に宇宙に分散した原子で構成されていることがわかります。 個々の原子を指して、どの星で誕生し、正確にいつ宇宙に放り出されたかを言うことはできませんが、それらが遠い星で生まれ、遠い過去の爆発の結果として私たちにやって来たことはわかっています。

したがって、私たちと私たちの世界は、星から生まれただけでなく、爆発する星から生まれたのです。 私たちは超新星から来たのです！

ノート：

地球に最も近い放射線帯の最も内側の部分「ヴァン・アレン帯」は、地球の大気の上層から現れる中性子の崩壊から生じる陽子と電子によって形成されます。 ノート。 編

核分裂に基づく原子力エネルギーに対する米国社会の警戒感から、水素核融合（熱核反応）への関心が高まっている。 この技術は、原子の特性を利用して発電する代替方法として提案されています。 これは理論的には素晴らしいアイデアです。 水素核融合は核分裂よりも効率的に物質をエネルギーに変換し、このプロセスには放射性廃棄物の生成は伴いません。 しかし、実用的な熱核融合炉はまだ作られていない。

太陽の下での融合

物理学者は、太陽が核融合反応を通じて水素をヘリウムに変換すると信じています。 「合成」という用語は「組み合わせる」という意味です。 水素核融合には最高の温度が必要です。 太陽の巨大な質量によって生み出される強力な重力により、太陽の核は常に圧縮された状態に保たれます。 この圧縮により、核には水素の熱核融合が起こるのに十分な温度が与えられます。

太陽光水素核融合は複数の段階からなるプロセスです。 まず、2 つの水素原子核 (2 つの陽子) が強く圧縮され、反電子としても知られる陽電子を放出します。 陽電子は電子と同じ質量を持ちますが、負の単位電荷ではなく正の単位電荷を持っています。 水素原子が圧縮されると、陽電子に加えて、ニュートリノが放出されます。この粒子は電子に似ていますが、電荷を持たず、物質を大幅に貫通することができます（つまり、ニュートリノ（低エネルギーニュートリノ) は物質と非常に弱い相互作用をします。水中での一部の種類のニュートリノの平均自由行程は約 100 光年です。また、太陽から放出された約 10 個のニュートリノが、目に見える影響を与えることなく毎秒通過することも知られています。地球上のすべての人の体。）

2 つのプロトンの合成には、単位正電荷の損失が伴います。 その結果、陽子の 1 つが中性子になります。 これは、陽子 1 つと中性子 1 つからなる水素の重い同位体である重水素原子核 (2H または D で示される) がどのようにして得られるかです。

重水素は重水素としても知られています。 重水素原子核は別の陽子と結合して、2 つの陽子と 1 つの中性子からなるヘリウム 3 (He-3) 原子核を形成します。 これによりガンマ線のビームが放出されます。 さらに、上記のプロセスを 2 回独立して繰り返した結果として形成された 2 つのヘリウム 3 原子核が結合して、2 つの陽子と 2 つの中性子からなるヘリウム 4 (He-4) 原子核を形成します。 このヘリウム同位体は、空気より軽い気球を充填するために使用されます。 最終段階では 2 つの陽子が放出され、核融合反応がさらに進行する可能性があります。

「太陽融合」の過程では、生成された物質の総質量が元の成分の総質量をわずかに上回ります。 アインシュタインの有名な公式によれば、「欠けている部分」はエネルギーに変換されます。

ここで、E はジュール単位のエネルギー、m はキログラム単位の「欠落質量」、c は光の速度であり、(真空中で) 299,792,458 m/s です。 水素原子核がノンストップかつ大量にヘリウム原子核に変換されるため、太陽はこのようにして膨大な量のエネルギーを生成します。 太陽には、水素核融合のプロセスが何百万年も続くのに十分な物質が存在します。 水素の供給は時間が経てば終わりますが、それは私たちが生きている間には起こりません。

これらの疑問に答える最初の試みは、物理学者がエネルギー保存則を定式化した後、19 世紀半ばに天文学者によって行われました。

ロバート・メイヤーは、太陽は隕石や流星粒子による継続的な衝突によって輝いていると示唆しました。 単純な計算により、太陽の明るさを現在のレベルに維持するには、毎秒 2 * 1015 kg の隕石が太陽に落下する必要があることが示されたため、この仮説は拒否されました。 1年間では6 * 1022 kg、太陽の存在中は50億年間 - 3 * 1032 kgになります。 太陽の質量は M = 2 * 1030 kg であるため、50 億年後には太陽の質量の 150 倍の物質が太陽に降り注ぐはずです。

2 番目の仮説も、19 世紀半ばにヘルムホルツとケルビンによって提唱されました。 彼らは、太陽は年間60～70メートル収縮して放射していると示唆した。 収縮の理由は太陽の粒子の相互引力であるため、この仮説は収縮と呼ばれます。 この仮説に従って計算すると、太陽の年齢は2000万年を超えないことになり、これは地球の土壌と月の土壌の地質サンプル中の元素の放射性崩壊の分析から得られた現代のデータと矛盾します。

考えられる太陽エネルギー源に関する 3 番目の仮説は、20 世紀初頭にジェームス ジーンズによって提唱されました。 彼は、太陽の深部には重い放射性元素が含まれており、それらはエネルギーが放出される際に自然に崩壊すると示唆しました。 たとえば、ウランがトリウムに、さらに鉛に変化すると、エネルギーの放出が伴います。 この仮説のその後の分析でも、その失敗が明らかになりました。 ウランのみで構成された星は、観測された太陽の明るさを提供するのに十分なエネルギーを放出しません。 さらに、私たちの星よりも何倍も明るい星もあります。 これらの星がさらに多くの放射性物質を含んでいる可能性は低いです。

最も可能性の高い仮説は、星の内部での核反応の結果として元素が合成されるという仮説であることが判明しました。

1935 年、ハンス ベーテは、水素をヘリウムに変換する熱核反応が太陽エネルギーの源である可能性があると仮説を立てました。 この功績により、ベーテは 1967 年にノーベル賞を受賞しました。

太陽の化学組成は、他のほとんどの星の化学組成とほぼ同じです。 約 75% が水素、25% がヘリウム、その他すべての化学元素 (主に炭素、酸素、窒素など) は 1% 未満です。 宇宙誕生直後には「重い」要素はまったくありませんでした。 それらすべて、つまり ヘリウムより重い元素、さらには多くのアルファ粒子さえも、熱核融合中の星の中での水素の「燃焼」中に形成されました。 太陽のような星の特徴的な寿命は 100 億年です。

主なエネルギー源である陽子-陽子サイクルは、弱い相互作用に起因するため、非常に遅い反応 (特性時間 7.9 * 109 年) です。 その本質は、4つの陽子からヘリウム原子核が得られるという事実にあります。 この場合、26.7 MeV のエネルギーだけでなく、一対の陽電子と一対のニュートリノが放出されます。 太陽が1秒間に放出するニュートリノの数は、太陽の明るさによってのみ決まります。 26.7 MeV が放出されると 2 個のニュートリノが生まれるため、ニュートリノ放出速度は 1.8 * 1038 ニュートリノ / 秒となります。

この理論を直接テストするのは、太陽ニュートリノの観測です。 高エネルギーニュートリノ（ホウ素）は、塩素アルゴン実験（デービス実験）で記録されており、標準太陽モデルの理論値と比較してニュートリノが不足していることが一貫して示されています。 pp 反応で直接発生する低エネルギーニュートリノは、ガリウム・ゲルマニウム実験で記録されます（グラン・サッソ（イタリア・ドイツ）の GALLEX およびバクサン（ロシア・米国）の SAGE）。 彼らも「行方不明」です。

いくつかの仮定によれば、ニュートリノの静止質量がゼロでない場合、さまざまなタイプのニュートリノの振動（変換）が可能です（ミヘエフ-スミルノフ-ヴォルフェンシュタイン効果）（ニュートリノには電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウオンニュートリノの3種類があります）。 。 なぜなら 他のニュートリノは電子よりも物質との相互作用断面積がはるかに小さいため、観測された欠陥は、天文データ全体に基づいて構築された太陽の標準モデルを変更することなく説明できます。

太陽は毎秒約 6 億トンの水素をリサイクルしています。 核燃料の貯蔵はさらに50億年続き、その後徐々に白色矮星に変化するだろう。

太陽の中心部は収縮して加熱され、外殻に伝わる熱によって現代のものと比べて巨大な大きさに膨張するだろう。太陽は水星や金星を吸収するほど膨張し、太陽は消滅するだろう。」現在よりも100倍速く燃料を供給します。 これにより太陽のサイズが増大します。 私たちの星は赤色巨星になり、その大きさは地球から太陽までの距離に匹敵します。 地球上の生命は消滅するか、外惑星に居場所を見つけることになるでしょう。

もちろん、新しい段階への移行には約1億年から2億年かかるため、そのような出来事は事前に通知されます。 太陽の中心部の温度が1億Kに達すると、ヘリウムも燃え始めて重元素に変わり、太陽は複雑な収縮と膨張のサイクルを繰り返す段階に入ります。 最終段階では、私たちの星は外殻を失い、中心核は地球と同じように信じられないほど大きな密度とサイズになります。 さらに数十億年が経過すると、太陽は冷えて白色矮星になります。