なぜ太陽はまだ燃え尽きないのでしょうか?

私たちの太陽は天の川銀河の中ではごく普通の恒星です。最も明るいわけでも、最も大きいわけでもなく、年齢はたったの 45 億年です。太陽がユニークなのは、その光と熱が、宇宙で私たちが知る唯一の生命体が存在する惑星の生命すべてを支えているという点だけです。幸いなことに、太陽は数十万年前に人類が出現するまで燃え尽きませんでした。しかし、どうしてそんなに多くの燃料があるのでしょうか。なぜろうそくやキャンプファイヤーのように消えてはいないのでしょうか。そして、いつになったら燃え尽きるのでしょうか。

これは 19 世紀には差し迫った問題だったとインディアナ大学の天文学教授キャサリン・ピラコウスキーは言う。当時、太陽がエネルギーを生み出す方法は 2 つしかわかっていなかった。重力収縮によって熱と光を生み出しているか、つまり太陽が中心に向かって引き寄せられ、エネルギー (地球上で感じる熱の形で) を放出し、そのため時間とともに小さくなっているか、あるいは文字通り燃えているか、つまり地球上でマッチを点けたりキャンプファイヤーを起こしたりしたときに見られる化学反応のように燃えているかのどちらかだ。どちらの方法も太陽の仕組みである可能性があると考えた当時の科学者たちは、両方の方法を用いて太陽が存在していた期間を正確に計算した。しかし、どちらの結果も、私たちが知っていた太陽系の年齢 45 億年とは一致しなかった。太陽が収縮または燃焼しているなら、私たち人間が登場するずっと前に燃料が尽きていたはずだ。明らかに、何か他のことが起こっていた。

それから数十年後、質量を持つものはすべてそれと同等のエネルギーを持っているというアインシュタインの有名な E = mc2 の法則を武器に、1920 年代のイギリスの天文学者は、太陽が実際に質量をエネルギーに変換しているという説を提唱しました。しかし、太陽の中心は、木や石炭を灰や黒くなった炭素に変える炉 (その過程で光と熱を放出) ではなく、巨大な原子力発電所のようなものです。

太陽には膨大な数の水素原子が含まれています。通常、中性の水素原子には、正に帯電した陽子と、その周りを回る負に帯電した電子が含まれています。この原子が他の水素原子と出会うと、それぞれの外側の電子は、ボディーガードのように磁気的に反発します。これにより、陽子同士が出会うことはありません。しかし、太陽の中心核は非常に高温で高圧であるため、原子は非常に大きな運動エネルギーで飛び回っており、それらを結びつける力を克服し、電子は陽子から離れます。つまり、通常は水素原子の核内に閉じ込められている陽子は実際に接触することができ、熱核融合と呼ばれるプロセスで結合します。

原子炉内部と同じように、太陽の中心核にある原子は毎秒衝突し合っています。ほとんどの場合、4 つの水素陽子が融合して 1 つのヘリウム原子が作られます。その過程で、これら 4 つの極小陽子の質量のほんの一部が「失われます」が、宇宙は物質を保存するため、ただ消えることはありません。むしろ、その質量は膨大な量のエネルギーに変換されます。太陽は毎秒 3.9 x 10 ²⁶ワットの電力を放射しています。(これは非常に大きなエネルギー量であるため、正直なところ、地球を中心とした類似性はありません。おそらく、この数字は次のように説明できるでしょう。このワット数は、現在の速度で世界全体が数十万世紀にわたって使用するすべての電力よりはるかに多いです。)

熱核融合の効率は、太陽が長きにわたって熱を放射し続けている主な理由です。わずか 1 キログラムの水素をヘリウムに変えることで放出されるエネルギーは、2 万トンの石炭を燃やすのと同じです。太陽は非常に巨大で比較的若いため、科学者は太陽がエネルギーを生み出す水素の約半分しか使用していないと推定しています。

最終的には、太陽の中心核が内部の水素をすべてヘリウムに変換し、恒星は死にます。しかし、心配する必要はありません。それは、あと 50 億年ほどで起こります。

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