第16章太陽――核エネルギーの源The Sun: A Nuclear Powerhouse
Key Concepts and Summary重要事項のまとめ
Studies of solar oscillations (helioseismology) and neutrinos can provide observational data about the Sun’s interior. The technique of helioseismology has so far shown that the composition of the interior is much like that of the surface (except in the core, where some of the original hydrogen has been converted into helium), and that the convection zone extends about 30% of the way from the Sun’s surface to its center. Helioseismology can also detect active regions on the far side of the Sun and provide better predictions of solar storms that may affect Earth. Neutrinos from the Sun can tell us about what is happening in the solar interior. A recent experiment has shown that solar models do predict accurately the number of electron neutrinos produced by nuclear reactions in the core of the Sun. However, two-thirds of these neutrinos are converted into different types of neutrinos during their long journey from the Sun to Earth, a result that also indicates that neutrinos are not massless particles.
太陽の振動を調べる日震学とニュートリノの研究は、太陽内部についての観測データをもたらす。日震学はこれまでに、太陽内部の組成が表面によく似ていることと、対流層が表面から中心へ向かう距離の約30%まで広がることを示した。ただし中心核では、もとの水素の一部がヘリウムへ変わっている。日震学は太陽の裏側の活動領域も検出し、地球に影響するかもしれない太陽の嵐の予測を改善できる。太陽ニュートリノは、太陽内部で起きていることを教えてくれる。最近の実験は、中心核の核反応が生む電子ニュートリノの数を、太陽モデルが正確に予測することを示した。しかし、このニュートリノの3分の2は、太陽から地球までの長い旅の途中で別の種類に変わる。この結果は、ニュートリノが質量ゼロの粒子ではないことも示す。
For Further Explorationさらに探究するために
Articles記事
Hathaway, D. “Journey to the Heart of the Sun.” Astronomy (January 1995): 38. What’s inside the Sun.
Hathaway, D. “Journey to the Heart of the Sun.” Astronomy（1995年1月号）：38。太陽の中には何があるか。
Kennedy, J. “GONG: Probing the Sun’s Hidden Heart.” Sky & Telescope (October 1996): 20. A discussion on helioseismology.
Kennedy, J. “GONG: Probing the Sun’s Hidden Heart.” Sky & Telescope（1996年10月号）：20。日震学についての議論。
Kruesi, L. “Lab-made Stars.” Sky & Telescope (October 2019): 34. Using lasers and complex equipment to study conditions in stars in Earth laboratories.
Kruesi, L. “Lab-made Stars.” Sky & Telescope（2019年10月号）：34。レーザーと複雑な装置を使い、恒星内部の条件を地上の実験室で研究する。
LoPresto, J. “Looking Inside the Sun.” Astronomy (March 1989): 20. An explanation of helioseismology.
LoPresto, J. “Looking Inside the Sun.” Astronomy（1989年3月号）：20。日震学の解説。
Odenwald, S. Bringing the Sun to Light, Astronomy (November 2024): 14. Good overview of how the Sun works, inside and surface.
Odenwald, S. “Bringing the Sun to Light.” Astronomy（2024年11月号）：14。太陽の内部と表面の仕組みを、わかりやすく概観する。
Schilling, G. “Catching Cosmic Neutrinos.” Sky & Telescope (May 2023): 14. Plans for two new giant neutrino detectors and what they might show.
Schilling, G. “Catching Cosmic Neutrinos.” Sky & Telescope（2023年5月号）：14。二つの新しい巨大ニュートリノ検出器の計画と、それで何がわかりそうか。
Trefil, J. “How Stars Shine.” Astronomy (January 1998): 56. How nuclear fusion works.
Trefil, J. “How Stars Shine.” Astronomy（1998年1月号）：56。核融合の仕組み。
Websitesウェブサイト
Einsteinアインシュタイン
Einstein: Image and Impact: https://history.aip.org/exhibits/einstein/. An exhibit in pictures and essays at the American Institute of Physics.
Einstein: Image and Impact（アインシュタイン：その姿と影響）：https://history.aip.org/exhibits/einstein/。米国物理学協会による、写真と文章を使った展示。
Einstein Videos and Articles from Public Television’s NOVA: https://www.pbs.org/wgbh/nova/?s=Einstein.
公共テレビの「NOVA」によるアインシュタインの動画と記事：https://www.pbs.org/wgbh/nova/?s=Einstein。
Official Einstein Site: https://www.alberteinstein.com/. Information and pictures collected by company that licenses his image.
Official Einstein Site（アインシュタイン公式サイト）：https://www.alberteinstein.com/。アインシュタインの肖像をライセンスする会社が集めた情報と写真。
Neutrinos and the Sunニュートリノと太陽
Ghost Particle (Neutrinos): http://www.pbs.org/wgbh/nova/neutrino/. Website that goes with the PBS NOVA show episode on neutrinos.
Ghost Particle (Neutrinos)（幽霊粒子――ニュートリノ）：http://www.pbs.org/wgbh/nova/neutrino/。PBSの番組「NOVA」のニュートリノの回に対応するウェブサイト。
Solving the Mystery of the Missing Solar Neutrinos: https://www.nobelprize.org/prizes/themes/solving-the-mystery-of-the-missing-neutrinos/. An article by astronomer John Bahcall about how experiments with neutrinos helped us understand how the Sun works.
Solving the Mystery of the Missing Solar Neutrinos（失われた太陽ニュートリノの謎を解く）：https://www.nobelprize.org/prizes/themes/solving-the-mystery-of-the-missing-neutrinos/。ニュートリノ実験が太陽の仕組みの理解にどう役立ったかを説明する、天文学者ジョン・バーコールの記事。
Super Kamiokande Neutrino Detector Webpage: https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/sk/ (translated from the Japanese).
スーパーカミオカンデのニュートリノ検出器のウェブページ：https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/sk/。日本語から英語に翻訳されたページ。
Other Topicsその他の話題
DOE Explains: Fusion Energy Science: https://www.energy.gov/science/doe-explainsfusion-energy-science. Webpages from the U.S. Department of Energy, summarizing government sponsored fusion research.
DOE Explains: Fusion Energy Science（米国エネルギー省が説明する核融合エネルギー科学）：https://www.energy.gov/science/doe-explainsfusion-energy-science。政府が支援する核融合研究をまとめた、米国エネルギー省のウェブページ。
GONG Project Site: http://gong.nso.edu/.
GONG計画のサイト：http://gong.nso.edu/。
Helioseismology: http://solar-center.stanford.edu/about/helioseismology.html. The Global Oscillation Network Group page explains how we use helioseismology to study the layers of the Sun.
Helioseismology（日震学）：http://solar-center.stanford.edu/about/helioseismology.html。Global Oscillation Network Groupのページで、太陽の層を日震学でどう調べるかを説明する。
Princeton Plasma Physics Lab: http://www.pppl.gov/.
プリンストン・プラズマ物理学研究所：http://www.pppl.gov/。
Videos動画
Einsteinアインシュタイン
The Genius of Einstein: https://www.youtube.com/watch?v=DPPnrDdNoUU. A discussion of his life, his work, and his brain at the World Science Festival; includes physicist/popularizer Brian Greene (1:22:41).
The Genius of Einstein（アインシュタインの天才）：https://www.youtube.com/watch?v=DPPnrDdNoUU。世界科学フェスティバルで行われた、彼の生涯、研究、脳についての討論。物理学者で科学の普及活動も行うブライアン・グリーンらが出演する（1時間22分41秒）。
Einstein’s Big Idea: https://ca.pbslearningmedia.org/resource/nvfb-sci-einsteinsidea/wgbh-nova-einsteins-big-idea-full-length-broadcast/. The full-length NOVA episode from PBS about how Einstein came up with E=mc2 and what it means. Lots of dramatization. The website also links to documents and short videos that are relevant. (1:48:57).
Einstein’s Big Idea（アインシュタインの大きな着想）：https://ca.pbslearningmedia.org/resource/nvfb-sci-einsteinsidea/wgbh-nova-einsteins-big-idea-full-length-broadcast/。アインシュタインがE = mc²をどのように着想したか、その意味は何かを扱う、PBS「NOVA」の全編。劇による再現を多く含む。ウェブサイトには関連する文書や短い動画へのリンクもある（1時間48分57秒）。
Einstein Explains E = mc2: https://www.iflscience.com/video-shows-albert-einstein-explaining-his-most-famous-equation-65692. In a rare video, an older Einstein speaks briefly about the meaning of his famous equation (0:58).
Einstein Explains E = mc²（アインシュタインがE = mc²を説明する）：https://www.iflscience.com/video-shows-albert-einstein-explaining-his-most-famous-equation-65692。年老いたアインシュタインが、有名な式の意味を短く語る珍しい映像（58秒）。
Neutrinosニュートリノ
Deep Secrets of the Neutrino: https://www.youtube.com/watch?v=Ar9ydagYkYg. Public Lecture by Peter Rowson about the history and science of neutrinos and how they were observed (1:22:00).
Deep Secrets of the Neutrino（ニュートリノの深い秘密）：https://www.youtube.com/watch?v=Ar9ydagYkYg。ニュートリノの歴史と科学、観測方法についてのピーター・ロウソンの公開講演（1時間22分）。
Neutrinos: Nature’s Identity Thieves: https://www.youtube.com/watch?v=RGv-pcKRf6Q. Video with Don Lincoln introducing various types of neutrinos and giving the story of Raymond Davis’ experiment (5:56).
Neutrinos: Nature’s Identity Thieves（ニュートリノ：自然界のなりすまし）：https://www.youtube.com/watch?v=RGv-pcKRf6Q。ドン・リンカーンが、さまざまな種類のニュートリノを紹介し、レイモンド・デイヴィスの実験を語る動画（5分56秒）。
Why I Love Neutrinos: https://www.youtube.com/watch?v=6h8CSLjtBUg. Quick introduction to neutrinos with a very enthusiastic Prof. Josh Klein (1:05).
Why I Love Neutrinos（私がニュートリノを好きな理由）：https://www.youtube.com/watch?v=6h8CSLjtBUg。とても熱心なジョシュ・クライン教授による、短いニュートリノ入門（1分5秒）。
Other Topicsその他の話題
How Does Fusion Power the Sun: https://www.youtube.com/watch?v=W1ZQ4JBv3-Y. Introduction to fusion in our star with Michelle Thaller and Lawrence Krauss (1:59).
How Does Fusion Power the Sun（核融合はどう太陽を輝かせるか）：https://www.youtube.com/watch?v=W1ZQ4JBv3-Y。ミシェル・サラーとローレンス・クラウスによる、太陽の核融合の入門（1分59秒）。
What is Antimatter and Why Should We Study It: https://www.youtube.com/watch?v=_V1epeWzy_A. An interview with NSF’s Dr. Kevin Jones about the basics and current research (13:45).
What is Antimatter and Why Should We Study It（反物質とは何か、なぜ研究するのか）：https://www.youtube.com/watch?v=_V1epeWzy_A。基礎と現在の研究について、米国科学財団のケヴィン・ジョーンズ博士に聞くインタビュー（13分45秒）。
Why Does the Sun Shine: https://www.youtube.com/watch?v=3JdWlSF195Y. The nerd musical group “They Might Be Giants” sings their famous song that declares, "The Sun is a mass of incandescent gas" (2:40). (They later realized they weren’t exactly right, and did a little correction song called “The Sun Is a Miasma of Incandescent Plasma”: https://www.youtube.com/watch?v=sLkGSV9WDMA.)
Why Does the Sun Shine（なぜ太陽は輝くのか）：https://www.youtube.com/watch?v=3JdWlSF195Y。オタク気質の音楽グループ「They Might Be Giants」が、「太陽は白熱するガスの塊」と歌う有名な曲を披露する（2分40秒）。彼らは後に、この説明が厳密には正しくないと気づき、「The Sun Is a Miasma of Incandescent Plasma」という短い訂正の歌を作った：https://www.youtube.com/watch?v=sLkGSV9WDMA。
Collaborative Group Activitiesグループで取り組もう
In this chapter, we learned that meteorites falling into the Sun could not be the source of the Sun’s energy because the necessary increase in the mass of the Sun would shorten Earth’s orbital period by 2 seconds per year. Have your group discuss what effects this would cause for our planet and for us as the centuries went on.
この章では、隕石の太陽への落下は太陽のエネルギー源ではありえないと学んだ。必要なだけ太陽の質量が増えると、地球の公転周期が1年当たり2秒短くなるからである。この変化が数世紀にわたって続いたら、地球や私たちにどのような影響があるかを、グループで議論しよう。
Solar astronomers can learn more about the Sun’s interior if they can observe the Sun’s oscillations 24 hours each day. This means that they cannot have their observations interrupted by the day/night cycle. Such an experiment, called the GONG (Global Oscillation Network Group) project, was first set up in the 1990s. To save money, this experiment was designed to make use of the minimum possible number of telescopes. It turns out that if the sites are selected carefully, the Sun can be observed all but about 10% of the time with only six observing stations. What factors do you think have to be taken into consideration in selecting the observing sites? Can your group suggest six general geographic locations that would optimize the amount of time that the Sun can be observed? Check your answer by looking at the GONG website.
英語のヒント
太陽の振動を毎日24時間観測できれば、天文学者は太陽内部をさらに詳しく知ることができる。つまり、昼夜の交代で観測が途切れないようにしなければならない。GONG（Global Oscillation Network Group）計画と呼ばれるこの実験は、1990年代に初めて設置された。費用を抑えるため、使う望遠鏡の数を可能な限り少なくする設計になっている。場所を慎重に選べば、わずか6か所の観測所で、約10%の時間を除くほぼすべての時間、太陽を観測できることがわかった。観測地の選定では、どのような要因を考える必要があるだろうか。太陽を観測できる時間が最も長くなるように、6か所のおおまかな地理的位置をグループで提案できるだろうか。GONGのウェブサイトを見て、答えを確かめよう。
What would it be like if we actually manage to get controlled fusion on Earth to be economically feasible? If the hydrogen in water becomes the fuel for releasing enormous amounts of energy (instead of fossil fuels), have your group discuss how this affects the world economy and international politics. (Think of the role that oil and natural gas deposits now play on the world scene and in international politics.)
英語のヒント
地上での制御核融合を、本当に経済的に実現できたら、どうなるだろうか。化石燃料に代わり、水の中の水素が莫大なエネルギーを放出する燃料になると、世界経済と国際政治にどう影響するか、グループで議論しよう。石油や天然ガスの埋蔵資源が、現在の世界や国際政治で果たす役割を考えること。
Your group is a delegation sent to the city council of a small mining town to explain why the government is putting a swimming-pool-sized vat of commercial cleaning fluid down one of the shafts of an old gold mine. How would you approach this meeting? Assuming that the members of the city council do not have much science background, how would you explain the importance of the project to them? Suggest some visual aids you could use.
英語のヒント
あなたたちのグループは、小さな鉱山町の市議会へ派遣された代表団である。政府が、プールほどの大きさの槽に業務用洗浄液を満たし、古い金鉱の坑道へ下ろす理由を説明しなければならない。この会合にどう臨むだろうか。議員に科学の予備知識があまりないと仮定して、計画の重要性をどう説明するか。使えそうな視覚資料も提案しよう。
When Raymond Davis first suggested his experiment in the underground gold mine, which had significant costs associated with it, some people said it wasn’t worth the expense since we already understood the conditions and reactions in the core of the Sun. Yet his experiment led to a major change in our understanding of neutrinos and the physics of subatomic particles. Can your group think of other “expensive” experiments in astronomy that led to fundamental improvements in our understanding of nature?
英語のヒント
レイモンド・デイヴィスが地下の金鉱での実験を初めて提案したとき、かなりの費用がかかるこの実験に対し、太陽の中心核の条件や反応はすでに理解しているのだから、費用をかける価値はないと言う人もいた。しかし実験は、ニュートリノと原子より小さな粒子の物理学について、理解を大きく変えた。自然の理解を根本から改善した、ほかの「高価な」天文学の実験を、グループで挙げられるだろうか。
You begin to tell a friend who is not taking your astronomy course what you’ve learned about the reason the Sun continues to be able to shine after more than 4 billion years. The friend’s reply is basically, “Who cares why the Sun shines? As long as it keeps shining and keeps me warm, I don’t need to know the reason.” What is your group’s reaction to this response? Can the group come up with any practical reasons it’s useful for humanity to know why the Sun shines? Can the group come up with any philosophical reasons why such knowledge is useful or worthwhile?
英語のヒント
天文学の授業を受けていない友人に、太陽が40億年以上たっても輝き続けられる理由について、学んだことを話し始めたとしよう。友人は大体こう答える。「太陽が輝く理由なんてどうでもいい。輝き続けて暖めてくれるなら、理由を知る必要はない」。この返答に、グループはどう反応するだろうか。人類が太陽の輝く理由を知ることについて、実用的に役立つ理由を挙げられるか。また、その知識が有用、あるいは価値があるといえる哲学的な理由も挙げられるか。