星の誕生について

質問

宇宙で恒星が誕生する際に、水素分子が超新星爆発の衝撃波や星間雲の衝突などによって密度が高くなり、温度が上昇し、収縮していき、1000万度に達すると核融合反応が始まると聞きました。
ここで気になったのが以下の点です。
・密度が高くなると温度が上昇するのはなぜか。
・温度が高くなると収縮するのはなぜか。
・1000万度になると核融合反応が始まるのはなぜか。
調べてもあまり出てこなかったため、質問します。
もし、現段階で判明していないことがあればその由もお願い致します。

回答No.2

noname#223065 · ベストアンサー

> ・密度が高くなると温度が上昇するのはなぜか。

　密度が高くなる原因は、重力による圧力です。まだ核融合を起こしていない恒星はガスがどんどん集まり、重力によって圧力が生じて圧縮されるわけですが、圧縮では熱が発生します（熱力学）。これは普通の空気でも起こることです。

　熱が発生し、かつ熱が逃げられないと温度が上昇することになります（断熱圧縮）。核融合前の恒星はガスの塊で、中心部が最も圧力が高くなり、そのため中心部が最も圧縮されて熱が発生するわけですが、ガスに取り囲まれているため、熱があまり逃げません。そのため、温度が上昇するのです。

　温度が上昇すると、熱が逃げる割合が増えてきます。最も温度の上がった中心を取り囲んでいるガスが熱せられ、次第に表面へと伝わり、熱が逃げていくようになるわけですね（そのため、場合によっては核融合を起こした後より恒星表面が高温になることもある）。もし後述の核融合に至らなければ、そのまま冷えていって、褐色矮星と呼ばれる星になります。

> ・温度が高くなると収縮するのはなぜか。

　温度が高くなることが収縮の原因ではありません。むしろ逆で、圧力が高まってきますので、重力の収縮に逆らって膨張する圧力となります。普通の空気でも、同じ1気圧で温度を上げると体積が増えます。密閉して温度を上げると圧力が高まります。
　太陽が今のサイズになっているのは、太陽が重力で収縮しようとする圧力が、高温による膨張しようとする圧力が釣り合っているためです。

> ・1000万度になると核融合反応が始まるのはなぜか。

　4つの水素原子同士が非常に激しく衝突すると原子核が融合して熱を出し、ヘリウム原子核になります。これが水素の核融合です。

　1000万度（水素原子が極めて激しく運動する）で、恒星中心くらいの圧力（水素原子同士の距離が極めて近くなる）になると、水素原子が核融合を起こすほど激しく運動していますので、核融合が始まります。いったん核融合が始まると、その熱で水素原子の運動が激しくなり、続々と核融合を起こすようになります。

　そうして、中心で延々と核融合を起こしているのが、太陽を含めた恒星です。宇宙空間に散在している物質で最も多いのが水素で、恒星はほとんどが水素です。恒星は水素ガスの塊なんです。ですのでいったん恒星に核融合が始まると、水素が燃え尽きるまで核融合が続きます（※ 多少、単純化して説明しています。実際にはもうちょっとややこしいプロセスになっています）。

回答No.4

kagakusuki

>・密度が高くなると温度が上昇するのはなぜか。

　それがどんな種類のガスでも持っている気体の性質だからです。
　密度が高くなるという事はガス(気体)が圧縮されるという事であり、宇宙空間では他の物体に接触している訳ではないため対流や熱伝導を使って他の物体に熱を伝える事が出来ませんから、宇宙空間における気体の圧縮はほぼ断熱状態で圧縮されるという事になります。
　気体が断熱圧縮されると、全ての気体が持っている基本的な性質により温度が上昇するのです。

【参考URL】
　断熱過程 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E9%81%8E%E7%A8%8B

　ＥＭＡＮの物理学・熱力学・断熱過程
　　http://eman-physics.net/thermo/adiabatic.html

>・温度が高くなると収縮するのはなぜか。

　温度が高くなる事によって収縮するのではありません。
　前述しました様に、収縮するから温度が高くなるのです。

>・1000万度になると核融合反応が始まるのはなぜか。

　どんな場合でも1000万度になると核融合反応が始まるという訳ではありません。
　核融合反応が起きるためには、水素等の核融合反応を起こす燃料となる物質を高温高圧の状態にしなければなりません。
　圧力が高ければもう少し低い温度でも核融合反応は起きますし、圧力がもう少し低ければもっと高い温度でなければ核融合反応は起きません。
　宇宙空間を漂っている水素ガスの温度と密度の関係で、それが収縮した際に到達する圧力と温度の関係が、核融合反応を起こす事が出来る条件に達する際の温度が、概ね1000万度前後になってしまうという事なのです。

回答No.3

ddtddtddt

多少順序が逆です(^^;)。

　何かのきっかけで水素ガスの塊（最初は非常に希薄）が収縮すると、ガスの密度が増加します。密度が増加すると重力強度が上がるので、それだけ周囲のガスも集まり、ますます重力強度が増加し収縮しやすくなり密度も上がり、・・・とあるレベルを越えると、収縮と密度の増加が止まらなくなります。

　温度上昇はその副産物です。断熱収縮・断熱膨張ってきいた事はないですか？。水蒸気の塊が急速に上昇すると周囲の気圧が下がって膨張し温度が下がり、雲になり雨が降ります。そのひどいのが積乱雲です。

　水蒸気の冷却は完全な断熱ではありませんが、周囲からの熱供給が追い付かないために、雲になります。同様に空気を入れた注射器をいきなり押したら、圧縮された空気は熱くなるという話は聞いた事あると思います。

　この場合も、しばらくすると圧縮されたままで空気は冷えますが、熱放出がないとすれば熱いままです。

　恒星をつくるガス雲は、それこそ何億年もかけて圧縮され続ける訳ですから、熱放出が追いつかず、最後は熱々の状態になると想像できませんか？(^^)。

　非常な高温高圧になると、大抵の原子は電子を剥ぎ取られ、生の原子核が飛び交うような状態になります（プラズマと言うそうです）。そうすると飛び交う原子核の衝突確率が格段に増えるので、核融合に点火という訳です。

　水素爆弾はそのような高温高圧を一瞬だけつくりだして核融合に点火するために、原爆を起爆剤として使います。原爆を雷管なんですよ(^^;)。少なくとも古い水爆はそうでした。

回答No.1

FEX2053

すげーシンプルに。

密度が高い＝分子がいっぱいある＝衝突する確率が高くなる
＝摩擦が増える＝摩擦熱によって温度が上がる

密度が高い＝お互いの重さで引き合う力が増える＝お互いに
分子が寄ってくる＝収縮する

核融合反応は、分子間が極端に近くなる（＝正面衝突する）と
発生する反応です。

当然、密度が高い＝温度が高くなる＝分子の活動が活発になる
（温度が高いというのは分子の運動エネルギーが大きいのと
等価です）＝正面衝突する確率が増える＝核融合反応が始まる
です。

それほど難しく考える必要はないです。