赤色巨星の膨張解消について

質問

Wikipediaの赤色巨星の項目をみると
「この膨張状態は中心部でヘリウムの核融合反応がはじまって収縮を支えられるようになると一旦解消されるが」
とあります。

質問なのですが中心部のヘリウムの核反応がはじまると何故膨張状態が解消されるのかを教えてください。

私の理解を書きます。

太陽のような恒星
中心の水素→ヘリウムの核反応による膨張圧が重力による収縮圧と拮抗している。

赤色巨星
1.中心部にヘリウムの核ができている
2.水素→ヘリウムの核反応はヘリウム核の周囲で起っている。
3.ヘリウム核が重力で収縮することで、2にエネルギーを供給する。
4.このため2の反応が活発化し、核反応による膨張圧が収縮圧を上回る。
5.従って恒星の表層が膨張する。

上の赤色巨星の状態でヘリウム核で各融合反応が始まると、重力収縮によるエネルギーよりも多くのエネルギーを周囲の水素→ヘリウムの核反応している殻に供給することで、さらに膨張圧が増して、恒星はより一層巨星化をするように思えます。
どうして膨張状態が解消されるのでしょうか？

よろしくお願いします。

回答No.2

satoumasaru · ベストアンサー

はじめまして。

＞中心部でヘリウムの核融合反応がはじまって収縮を支えられるようになると
＞一旦解消される

とありますが、それこそ膨張が一時停止するだけです。ヘリウムの核ができますよ
ね。そうなるとヘリウムの核の周辺の水素で核融合がおこるようになります。とこ
ろがヘリウムがまだ核融合を起こすほどの温度でないときには、ヘリウムは当然重
力により小さくなろうとします。そうなるとそこで重力エネルギーを解放して熱く
なります。

重力エネルギーを失うと熱になる、このことは地球上レベルではほとんど感じませ
んが何しろ膨大なヘリウムガスが収縮しますので膨大な熱が発生します。だからと
いってこの段階では外をとりまく水素ガスの圧力のため、ヘリウム核は収縮します
が、温度は高温になります。

核融合のポイントは、どれだけの速さで原子核が動くか（＝熱）と、どれだけ原子
核が接近するか（圧力）です。圧力がかわらず温度が高くなると、当然ヘリウム核
周辺でおきている核融合反応が強くなります。そのため、ヘリウム核の縮小以上に
外層の水素が膨張し赤色巨星になるわけです。

ところが、ヘリウム核の中心部がこんどは核融合を開始しだすと、これまで縮小し
てきたものが中からのエネルギーにより止まるわけです。そのため一時的に「安定」
した形になります。でもこれは星の一生でいえば、ほんの一時期であり、すぐにつ
りあいが破れ、再び膨張を開始します。

ヘリウムが縮小するのはE=mc²ではありません。縮小する体積がそのままエネルギー
になるのならば超新星がもっとたくさん銀河にできますよ。

これで分かっていただけましたでしょうか。不明な点があれば私の知っている範囲
でお答えさせていただきます。

お礼

大変わかりやすいご回答をいただきましてありがとうございました。
ご回答を拝見しまして、私の理解に誤りがあったことがわかりました。

> それこそ膨張が一時停止するだけです。

膨張が解消されるという記述で、一旦巨星化前の状態近くまで収縮するのだと考えておりました。

ヘリウム核の核融合の点火の前後で一時的に膨張が停止することはあっても、収縮することは無い。
そしてヘリウム核の核融合が始まると、ヘリウム核の重力収縮による熱エネルギーよりも大きな熱エネルギーが、恒星中心部から水素の核融合が行われている殻部分に供給されるので、水素の核融合が更に活発になり、結果として恒星の巨星化が更に進むということですね。

おかげさまで疑問を解消することができました。
ありがとうございました。

回答No.1

kamobedanjoh

アインシュタインの特殊相対性理論を思い出して下さい。
E=mc²
水素→ヘリウムの核反応はヘリウム核の周囲で起っている。
この時、ヘリウムは元の水素の総量より質量を減じています。
それは、ヘリウムの一部がエネルギーに置き換えられて、恒星の外部へ放出されてしまうに等しいためです。
その結果、ヘリウムの核は体積を縮小し、より大きな質量（核内重力）を持ちます。
ヘリウムの核反応が始まる前は、水素を使い果たして活動休止状態になります（核外膨張停止）
ヘリウムで核融合が始まると、再び膨張が始まりますが、同様の経過 を経て、新しい核（ヘリウム以外の元素、窒素、酸素、炭素その他）が働き始めます。
こうして新しい段階の核融合に転じる毎に核の質量は増し、最後には、中性子だけが残るか（中性子星）または正体不明の重力だけ（ブラックホール）が残ることになります。
新たな核融合反応が始まるまでの熱供給停止と、新たな核がより大きい質量を獲得している点に注目しましょう。

お礼

私の理解力が至らない為か、ご回答いただいた内容のどこに質問の回答が述べられているのかがわかりません。さらにかみ砕いてご回答いただけますと助かります。

以下、、ご回答内容についての疑問を記載します。

> その結果、ヘリウムの核は体積を縮小し、より大きな質量（核内重力）を持ちます。

体積が縮小するのはともかく、より大きな質量を持つというのはおかしくないでしょうか？
一部がエネルギーとして持ち去られるわけですから却って小さな質量になるのではないでしょうか？
あと「大きい」というのは何に対しての比較ですか？

> ヘリウムの核反応が始まる前は、水素を使い果たして活動休止状態になります（核外膨張停止）

ヘリウムの核反応が始まる前も、ヘリウム核の周囲では水素→ヘリウムの核反応が継続していると思います。

というか、そうでないと質問の前提が変わってしまいます、
巨星化はヘリウム核の周囲での水素→ヘリウムの核反応により起っているわけですから。
もしかしてWikipediaの記載内容が誤っているという趣旨のご発言なのでしょうか？

> ヘリウムで核融合が始まると、再び膨張が始まりますが、

ここも質問の前提と異なるご発言です。

あと「核内重力」「核外膨張停止」という単語の意味を知ろうと検索しましたが（本質問以外で）ヒットしませんでした、この分野での一般用語なのですか？
単語の定義を行っているページのリンクなどをお示しいたけますと助かります。

ご回答ありがとうございました。