太陽の密度はなぜ１．４もあるのでしょうか。

質問

太陽は主に水素とヘリウム（酸素、炭素）の気体からなる天体ですよね。
ではなぜ密度が１.４にもなるのでしょうか。

回答No.14

satoumasaru · ベストアンサー

> 恒星内部では次々生まれる光があるわけですよね。ずっと前に生
> まれた光もいつまでもその辺にあるわけですよね。ということは
> 中心部はどんどん明るくなるのではないですか？それがやがては
> 外へ出て行くわけですから恒星の明るさもある程度までどんどん
> 明るくなるんじゃないですか？

そうですよ、でも外へ出て行く光もありますよね。それで現在は、外へ出て行く光と均衡がとれている状態なのです。もう少し正確に言えば、核融合によるエネルギーが多くなると、星は巨大化します。そうすると、中心部分の圧力が減ります。すると中心部分の核融合の反応が下がります。すると、星が縮小します。そうすると中心部分の圧力が高まって核融合のエネルギーが多くなります。こうして自動的に均衡状態が保たれます。

星は実に巧妙にできた核融合炉なのです。

回答No.13

lupinletrois

「(固体・液体は)圧縮できるのには限度がある」
「圧縮すれば、液体にも、固体にもなります」
「ガスだから、いくらでも圧縮できるんです」
これらは、どれも正確ではありません。
木星では水素は液体金属になっている層があります。液体金属の水素は400万気圧
で存在します。中心部では、圧力は８１０億気圧、密度は水の２０倍です。
また、2004.2.18 の記事に「宇宙に浮かぶ巨大ダイヤ＝直径 4000 km 」がありました
が、これは、地球で見るダイヤ(密度3.5)と違って密度は１億倍以上です。つまり、
固体・液体であってもなくても星レベルの大きな圧力があれば、密度は高くなれます。
しかもその限界を私は知りません。(物質といえるかは別にして)
( 白色矮星 → 中性子星 → ブラックホール )

気体であってもプラズマであっても、固体・液体以上の密度では物質としての圧力に
対して原子・分子の反発力があってつりあってます。これは、電子の圧力です。
別の言い方をすると、高い圧力では、原子・分子の電子軌道は、他の原子・分子の
の電子との反発力とのバランスによって、小さくなり高密度になりうる。この電子の
圧力が大きく、地球上での圧力程度では、固体液体の密度はあまり変化しないと
錯覚してしまいます。もちろん、プラズマでは電子の圧力だけでなく複雑ですが。
中性子星は、電子の圧力で支えきれなくなり電子が原子核と融合したものです。
もちろん、中性子同士の反発力でもささえきれなくなった高密度がブラックホール。

結論として「全体の質量が大きいので強い重力で圧縮されている」が正しい。

回答No.12

satoumasaru

＃７です。

>　中心部は固体ということですが、固体の水素ということですね。

いえ、ちがいます。中心核は岩石や氷でできています。もっとも、この核も大きいため、太陽系誕生時にまわりのガス（大部分は水素）を集めて巨大になったのだろうといわれています。

宇宙航空研究開発機構
http://spaceinfo.jaxa.jp/note/taiyo/j/tai102_sosei2.html

>　水素やヘリウムがプラズマ状態で存在する太陽と固体で存在する木
> 星の密度がたまたま同じくらいだという解釈でいいでしょうか？

たまたまでしょう。＃５さんがお書きになられたように、同じ巨大惑星である土星の比重は１以下ですからね。

> 中心からの光が表面まで達するのに２００万年かかるってどういう
> ことですか？空間が大きく歪むほどの重力でもないかぎり歪んでい
> ない空間から見た光速は不変だと思っていました。

太陽の中心程度の重力では光速度は不変です。ではなぜ２００万年もかかるかというと、中心部分があまりにも高密度になっているためです。あまりにも物質が圧縮されているため、光はちょっと進むとすぐにプラズマにぶつかり反射し、またちょっと進むと反射するというように直線で動けないのです。なにしろあまりにも高密度ですから。始終ぶつかって、ぶつかって、ぶつかって、そのため、いつまでたっても、なかなか中心部分から出てくることができないのです。

実は、これと同じようなことが、かって宇宙でもあったといわれています。宇宙が高密度の時には、光がなかなか直線で進むことができません。ところが宇宙誕生後１０万年たった時に、やっと光が直進できるようになり、その時の光の名残がいまも宇宙を漂っています。これが宇宙の３Ｋ輻射というものです。

厳密には正確な表現ではありませんが、わかりやすく解説してました。

参考URL：

http://spaceinfo.jaxa.jp/note/taiyo/j/tai102_sosei2.html

お礼

ありがとうございます。いろいろ勉強になります。
ところで、光が中心部からなかなか出てこられないのはプラズマに反射するからなんですね。
光の本質についてはよくわからないので、ものすごく幼稚な疑問だと思いますが、恒星内部では次々生まれる光があるわけですよね。ずっと前に生まれた光もいつまでもその辺にあるわけですよね。ということは中心部はどんどん明るくなるのではないですか？それがやがては外へ出て行くわけですから恒星の明るさもある程度までどんどん明るくなるんじゃないですか？

回答No.11

IAC

オフトピックですが…

密度が1.4もアレですが，プラズマ状態なので，

太陽－地球間を8分19秒（でしたっけ？）で進む光ですが，太陽中心で発生した光が表面まで辿り着くのに200万年ほど掛かったりもします。

秒速にして，約0.01mmです。

やはり相当に違う世界かと…。

お礼

ありがとうございます。
中心からの光が表面まで達するのに２００万年かかるってどういうことですか？空間が大きく歪むほどの重力でもないかぎり歪んでいない空間から見た光速は不変だと思っていました。

回答No.10

error123

またまたお邪魔しま～す♪

> 水素やヘリウムがプラズマ状態で存在する太陽と固体で存在する木星の密度がたまたま同じくらいだという解釈でいいでしょうか？

太陽も木星も、密度は平均密度だからねえ。
両方とも中に入ったことはないけど、まあそういうことなんでしょう。
ちなみに土星は0.69。水に浮くわね。

お礼

お礼を言うのが遅くなってごめんね。
回答の内容にはもちろん満足していますが、内容よりも書き方に興味を持ちました。女性の方ですよね。失礼な言い方かもしれませんが、おもしろいです。
ありがとうございました。

回答No.9

satoumasaru

> ところで、５番の方に木星ではプラズマ状態には
> なっていないと教えていただきましたが、木星が
> 同じ様に密度が大きいのはなぜですか？

既に＃５さんが答えていらっしゃいますけれども、若干補足説明させていただきますね。密度というのは、「物質の単位体積あたりの質量」なんです。質量というのは「重さ」のことなんです。密度が高いということと、重いことと（＝質量が多い）ととはちがうんですよ。もちろん、同じ大きさだったら、密度が高い方が質量が多いですよね。でも鉄１０グラムと綿１キロだったら、どうでしょう。綿のほうが重く（質量が多く）なります。

ですから＃５さんのおっしゃられているとおり、木星も太陽も密度は地球に比べて低いのですよ。ですが、なにしろ大きさが巨大ですから、全体の重さが重くなるのです（＝質量が多い）。なお、木星は太陽ほど巨大ではありませんから、中心部は核融合がおきていません。そのため、中心部分は固体となっています。

厳密にいえば、いろいろ但書きがいるのですが、わかりやすいように書かせて頂きました。これでご理解いただけましたでしょうか？

お礼

ありがとうございます。
中学レベルの知識しかない私もさすがに密度の意味はわかりますよ（笑）
中心部は固体ということですが、固体の水素ということですね。
水素やヘリウムがプラズマ状態で存在する太陽と固体で存在する木星の密度がたまたま同じくらいだという解釈でいいでしょうか？

回答No.8

error123

>　５番の方に木星ではプラズマ状態にはなっていないと教えていただきましたが、木星が同じ様に密度が大きいのはなぜですか？

No2-5です。
ご存知のように太陽は、太陽系の中心に位置する太陽系最大の天体です。 太陽系の全質量の 99.8% を太陽が占めているのよ。
地球の約318倍の質量を持つ木星は、太陽系では太陽に次ぐ質量をもってます。でも99.8%の太陽とじゃ比較にならないのはこれで十分わかるわよね？
よく木星のことを太陽になりそこねた惑星とかいうけど、それでもちょいと小さすぎ。
もしあと100倍程度質量があれば、中心部で核融合反応が始まり、太陽のように光り輝いていたことでしょう。

それから密度についてだけど、
太陽の密度は1.41×103kg・m-3
木星の密度は1.33×103kg・m-3
これは知ってるのよね？

じゃあ、地球のは？
地球の密度は　5.52×103kg・m-3　よ。

つまり全体の質量では当然太陽や木星は地球と比較にならないほど多いけど、密度は地球の勝ちよ～。（笑）

お礼

ありがとうございます。
密度の数字についてはよく知ってます。ただ、太陽の密度が高いのはプラズマ状態だからというご回答をいただいたので、じゃあなぜ組成が太陽とよく似ている木星はプラズマ状態ではないのに同じ様に密度が高いのかなあと思ったのです。

回答No.7

satoumasaru

そうですよね、気体なのに水より重いなんておかしいですよね。でも気体だからといって軽いわけではないんですよ。なぜ、水より重いのか、それはガスだからです。ガスだから、いくらでも圧縮できるんですよ。（まあ正確には圧縮できるのには限度があるのですが）

太陽は巨大なガス体です。質量は地球の約３３万倍もあります。ですから、中心部分には巨大な圧力がかかります。ですからどんどん圧縮されて、どんどん密度が高くなります。中心部は比重が１６０もあります。水の１６０倍ですよ！

じゃあ、どんどん圧縮していけば、液体や固体になるんじゃないかと思われるかもしれませんが、中心部分はなんと１５００万度もあるんです。このような滅茶苦茶な高温ですと、物質が液体や固体では存在できません。物質の沸点を超えてしまいますから、気体になってしまうのです。正確には分子の形を取ることさえできずに、原子核と電子がバラバラに高速度で飛び交うというプラズマ状態になります。

水よりも重たい気体があるなんて非常識な！と思われるでしょうが、まさしく非常識な状態になっています、こんなに高温の状態で圧縮されている状態では、物凄いスピードで飛び回っているから、原子核同士がぶつかって、より大きな原子核になるという状態がおこります。これが核融合なのです。この核融合により、膨大なエネルギーが生じるのです。

核融合は、最初は水素からヘリウムがつくられます、さらにヘリウムから炭素や酸素がつくられますが、太陽程度のおおきさではせいぜい酸素ぐらいまでしかできません。これよりもっと巨大な星になって、初めて鉄などの重い原子ができるのです。星は、最後にはガスを宇宙にまき散らして生涯を閉じます。

今の宇宙論であるビッグバン理論によると、宇宙は誕生した際には水素とヘリウムしかありませんでした。それ以外の原子は全て星の中で核融合により作られたのです。現在、太陽のなかでは、まだヘリウムが炭素や酸素になる核融合が本格的に行われていませんし、太陽でできたヘリウムはその外側からの高い圧力により中心部にとじこめられています。

じゃあ、私たちの体をつくっている水素以外の原子はどこからきたの？というと、それはかって宇宙の中において、どこかの星でつくられたのです。ですから私たちの体をつくっている物質は、かって宇宙のどこかで光り輝いていたんですよ。そう思えば夜空の星も身近に思えませんか？

お礼

わかりやすかったです。ありがとうございます。
水素といってもH2でないのはもちろんのこと水素原子でもないんですね。水素とヘリウムからなる気体であるというからわからなくなるわけで水素の原子核とヘリウムの原子核が電子とばらばらになって高速で飛び交う状態（それがプラズマですね）になっている天体であるということかな。でもこんな事中学の理科で話してもよけいわからんようになりますよね。
ところで、５番の方に木星ではプラズマ状態にはなっていないと教えていただきましたが、木星が同じ様に密度が大きいのはなぜですか？

回答No.6

bunsekiya

恐らく、イメージにとらわれ過ぎです。

水素もヘリウムも元素に過ぎず、「気体」と決まった訳ではありません。気体なのは常温常圧での話です。

圧縮すれば、液体にも、固体にもなりますヨ。太陽の中心部の圧力を検索してみると実感できるでしょうか？圧力だけなら金属状になっているかも。

逆に、常温常圧では比重が重い金属だって、熱をかけていけば液体になり、やがて蒸発して気体になります。その時の比重は軽いはずですよね。

どうでしょう？イメージできました？納得いきました？もしかして論点がズレてます？

お礼

ありがとうございます。
でもイメージはむずかしいですね。圧力だけではなく温度もわれわれの日常とはかけ離れているものですから、・・・。

回答No.5

error123

No2です。

プラズマ状態については参考URLをみてね。
まあ、超高温でないと無理だから木星土星クラスじゃならないわね。

でも考えたらプラズマ状態になっただけではそこまで密度は上がらないわねえ。
やっぱり水素の核融合で出来たヘリウムが自重で強烈に圧縮されて、硬くて重い芯になって太陽の中心にたまってるからだと思うわ。

参考URL：

http://zone.aees.kyushu-u.ac.jp/plasma/plasma.html

お礼

ありがとうございます。
参考URLを読みました。素人向けに書いてあるようですがそれでも充分に理解するには基礎知識が不足しているようです。
実験室でもできるのかと思ったらかなりの高温高圧でないと無理とか・・・、まあこれを機会に少し勉強してみます。

回答No.4

mtnlnd

太陽自信の重力による収縮と核反応による熱膨張とが釣り合ったのが現在の密度です

収縮した為に密度が上がり熱核反応を起こしたのですが、この熱膨張の為に密度は少し下がったわけです、どの位かは知りませんが

若し太陽の質量がもう少し小さかったら熱核反応は起こらずもう少し密度が大きかったでしょう、でも更に小さければ重力も（収縮も）小さくなり密度は上がらないでしょう

つまり初めの太陽の質量が大きければ大きい程密度はあがるけれど　ある程度上がると　火が付き少し下がる

天体物理学ではこの様に説明している様ですが　逆に現在より質量が大きかったらどうなるか？　

この場合太陽は早く燃え尽きて序序に膨張し（収縮より熱膨張が勝つ為に密度が下がる）地球をも飲みこんでしまうそうです、現在の太陽でも最後はこうなると言われております、数十億年先の事ですが

更に質量が大きかったらどうなるか？燃え尽きる最後は爆発する（同じく収縮より熱膨張が勝つ）との事です、新星ですね

更に更に質量が大きかったらどうなるか？やはり最後は大爆発し今度は芯だけ（中性子星＝高密度星）残します、超新星ですね

更に更に更に大きかったらどうなるか　ブラックホールになると言われておりますが？超高密度星共言えます

お礼

ありがとうございます。
初めの質量によって運命が変わる話はよく聞きます。（中学レベルの知識しかないので詳しいことは知りませんが）
ただ、大部分が気体であると書かれているのにそのわりに密度が大きすぎるのは何でかなあとふしぎに思ったわけです。
自重でつぶれるというのはわかりますが岩石より密度の大きい気体というのがどうも理解できなくて（平均して１.4ですから中心部は岩石より密度が大きい部分があると解釈したらまちがいでしょうか）
また勉強してみます。