第16章太陽――核エネルギーの源The Sun: A Nuclear Powerhouse

How do we know the age of the Sun?

太陽の年齢は、どうすればわかるのか。

Explain how we know that the Sun’s energy is not supplied either by chemical burning, as in fires here on Earth, or by gravitational contraction (shrinking).

太陽のエネルギーが、地上の火のような化学的燃焼でも、重力収縮でも供給されていないとわかる理由を説明しよう。

What is the ultimate source of energy that makes the Sun shine?

太陽を輝かせるエネルギーの究極の源は何か。

What are the formulas for the three steps in the proton-proton chain?

陽子・陽子連鎖反応の3段階を表す式は、それぞれどうなるか。

How is a neutrino different from a neutron? List all the ways you can think of.

ニュートリノは中性子とどう違うか。思いつく違いをすべて挙げよう。

Describe in your own words what is meant by the statement that the Sun is in hydrostatic equilibrium.

太陽が静水圧平衡にある、とはどういう意味か、自分の言葉で説明しよう。

Two astronomy students travel to South Dakota. One stands on Earth’s surface and enjoys some sunshine. At the same time, the other descends into a gold mine where neutrinos are detected, arriving in time to detect the creation of a new radioactive argon nucleus. Although the photon at the surface and the neutrinos in the mine arrive at the same time, they have had very different histories. Describe the differences.

天文学を学ぶ2人の学生がサウスダコタ州へ旅行する。1人は地表に立ち、日光を楽しんでいる。同時に、もう1人はニュートリノを検出する金鉱へ下り、新たな放射性アルゴン原子核の生成を検出するのに間に合った。地表の光子と鉱山のニュートリノは同時に届いたが、それまでに非常に異なる道をたどっている。その違いを説明しよう。

What do measurements of the number of neutrinos emitted by the Sun tell us about conditions deep in the solar interior?

太陽が放出するニュートリノの数を測ると、太陽内部の奥深くの状態について、何がわかるか。

Do neutrinos have mass? Describe how the answer to this question has changed over time and why.

ニュートリノには質量があるか。この問いへの答えが時代とともにどう変わってきたか、その理由とともに述べよう。

Neutrinos produced in the core of the Sun carry energy to its exterior. Is the mechanism for this energy transport conduction, convection, or radiation?

中心核で生じたニュートリノは、エネルギーを太陽の外へ運ぶ。このエネルギー輸送の仕組みは、伝導、対流、放射のどれだろうか。

What conditions are required before proton-proton chain fusion can start in the Sun?

太陽で陽子・陽子連鎖反応による核融合が始まるには、どのような条件が必要か。

Describe the two main ways that energy travels through the Sun.

太陽の中をエネルギーが移動する二つの主な方法を説明しよう。

Someone suggests that astronomers build a special gamma-ray detector to detect gamma rays produced during the proton-proton chain in the core of the Sun, just like they built a neutrino detector. Explain why this would be a fruitless effort.

ニュートリノ検出器を作ったのと同じように、太陽の中心核の陽子・陽子連鎖反応で生じるガンマ線を検出するため、特別なガンマ線検出器を作ろうと提案する人がいる。これが実りのない試みになる理由を説明しよう。

Earth contains radioactive elements whose decay produces neutrinos. How might we use neutrinos to determine how these elements are distributed in Earth’s interior?

地球には、崩壊するとニュートリノを生む放射性元素がある。これらの元素が地球内部にどう分布するかを、ニュートリノでどのように調べられるだろうか。

The Sun is much larger and more massive than Earth. Do you think the average density of the Sun is larger or smaller than that of Earth? Write down your answer before you look up the densities. Now find the values of the densities elsewhere in this text. Were you right? Explain clearly the meanings of density and mass.

太陽は地球よりはるかに大きく、質量も大きい。太陽の平均密度は地球より大きいと思うか、小さいと思うか。密度を調べる前に答えを書こう。それから本書の別の箇所で密度の値を探す。正しかっただろうか。密度と質量の意味を明確に説明しよう。

A friend who has not had the benefit of an astronomy course suggests that the Sun must be full of burning coal to shine as brightly as it does. List as many arguments as you can against this hypothesis.

天文学の授業を受けていない友人が、あれほど明るく輝くには、太陽の中に燃える石炭がいっぱい入っているに違いないと言う。この仮説への反論を、できるだけ多く挙げよう。

Which of the following transformations is (are) fusion and which is (are) fission: helium to carbon, carbon to iron, uranium to lead, boron to carbon, oxygen to neon? (See Appendix K for a list of the elements.)

次の変換のうち、核融合はどれで、核分裂はどれか。ヘリウムから炭素、炭素から鉄、ウランから鉛、ホウ素から炭素、酸素からネオン。元素の一覧は付録Kを参照しよう。

Why is a higher temperature required to fuse hydrogen to helium by means of the CNO cycle than is required by the process that occurs in the Sun, which involves only isotopes of hydrogen and helium?

CNOサイクルで水素をヘリウムへ融合するには、太陽で起こる水素とヘリウムの同位体だけが関わる過程よりも、高い温度を必要とするのはなぜか。

Earth’s atmosphere is in hydrostatic equilibrium. What this means is that the pressure at any point in the atmosphere must be high enough to support the weight of air above it. How would you expect the pressure on Mt. Everest to differ from the pressure in your classroom? Explain why.

地球の大気は静水圧平衡にある。これは、大気中のどの場所でも、圧力はその上の空気の重さを支えるだけ高くなければならないという意味である。エベレスト山の気圧は、教室の気圧とどう違うと予想するか。理由も説明しよう。

Explain what it means when we say that Earth’s oceans are in hydrostatic equilibrium. Now suppose you are a scuba diver. Would you expect the pressure to increase or decrease as you dive below the surface to a depth of 200 feet? Why?

地球の海が静水圧平衡にある、とはどういう意味かを説明しよう。あなたがスキューバダイバーだとする。水面から深さ200フィートまで潜ると、圧力は増すと思うか、減ると思うか。それはなぜか。

What mechanism transfers heat away from the surface of the Moon? If the Moon is losing energy in this way, why does it not simply become colder and colder?

どのような仕組みで、月の表面から熱が運び去られるか。このようにエネルギーを失っているなら、月がただ冷え続けるだけにならないのはなぜか。

Suppose you are standing a few feet away from a bonfire on a cold fall evening. Your face begins to feel hot. What is the mechanism that transfers heat from the fire to your face? (Hint: Is the air between you and the fire hotter or cooler than your face?)

寒い秋の夕方、たき火から数フィート離れたところに立っているとしよう。顔が熱く感じられ始めた。火から顔へ熱を伝える仕組みは何か。ヒント：あなたと火の間の空気は、顔より熱いだろうか、冷たいだろうか。

Give some everyday examples of the transport of heat by convection and by radiation.

対流と放射による熱輸送の日常的な例を、いくつか挙げよう。

Suppose the proton-proton cycle in the Sun were to slow down suddenly and generate energy at only 95% of its current rate. Would an observer on Earth see an immediate decrease in the Sun’s brightness? Would she immediately see a decrease in the number of neutrinos emitted by the Sun?

太陽の陽子・陽子連鎖反応が突然遅くなり、現在の95%の割合でしかエネルギーを生み出さなくなったとしよう。地上の観測者は、太陽の明るさが下がるのをすぐに見るだろうか。太陽が放出するニュートリノの数の減少は、すぐにわかるだろうか。

Do you think that nuclear fusion takes place in the atmospheres of stars? Why or why not?

恒星の大気で核融合が起きると思うか。起きる、または起きないと考える理由を述べよう。

Why is fission not an important energy source in the Sun?

核分裂が太陽の重要なエネルギー源ではないのはなぜか。

Why do you suppose so great a fraction of the Sun’s energy comes from its central regions? Within what fraction of the Sun’s radius does practically all of the Sun’s luminosity originate (see Figure 16.16)? Within what radius of the Sun has its original hydrogen been partially used up? Discuss what relationship the answers to these questions bear to one another.

太陽エネルギーのこれほど大きな割合が中心領域から生じるのは、なぜだと思うか。太陽の光度のほぼすべては、太陽半径のどれくらいの範囲内で生じるか（図16.16参照）。もとの水素が部分的に消費されているのは、どの半径までか。これらの問いへの答えが、互いにどのような関係をもつかを論じよう。

Explain how mathematical computer models allow us to understand what is going on inside of the Sun.

数学的なコンピューターモデルで、太陽内部に何が起きているかを理解できる理由を説明しよう。

Estimate the amount of mass that is converted to energy when a proton combines with a deuterium nucleus to form ³He.

陽子が重水素原子核と結合して³Heを作るとき、エネルギーへ変わる質量を見積もろう。

How much energy is released when a proton combines with a deuterium nucleus to produce ³He?

陽子が重水素原子核と結合して³Heを作るとき、どれほどのエネルギーが放出されるか。

The Sun converts $4\times {10}^9$ kg of mass to energy every second. How many years would it take the Sun to convert a mass equal to the mass of Earth to energy?

太陽は毎秒、$4\times {10}^9$ kgの質量をエネルギーに変えている。地球の質量と等しい質量をエネルギーへ変換するには、何年かかるだろうか。

Assume that the mass of the Sun is 75% hydrogen and that all of this mass could be converted to energy according to Einstein’s equation E = mc². How much total energy could the Sun generate? If m is in kg and c is in m/s, then E will be expressed in J. (The mass of the Sun is given in Appendix E.)

太陽の質量の75%が水素で、そのすべてをアインシュタインの式E = mc²によってエネルギーへ変換できると仮定しよう。太陽は総計どれだけのエネルギーを生み出せるか。mをkg、cをm/sで表すと、EはJで得られる。太陽の質量は付録Eに示されている。

In fact, the conversion of mass to energy in the Sun is not 100% efficient. As we have seen in the text, the conversion of four hydrogen atoms to one helium atom results in the conversion of about 0.02862 times the mass of a proton to energy. How much energy in joules does one such reaction produce? (See Appendix E for the mass of the hydrogen atom, which, for all practical purposes, is the mass of a proton.)

実際には、太陽での質量からエネルギーへの変換効率は100%ではない。本文で見たように、4個の水素原子が1個のヘリウム原子になると、陽子質量の約0.02862倍がエネルギーへ変わる。この反応1回で生じるエネルギーは何ジュールか。水素原子の質量は付録Eを参照しよう。この計算では、それを陽子の質量とみなしてよい。

Now suppose that all of the hydrogen atoms in the Sun were converted into helium. How much total energy would be produced? (To calculate the answer, you will have to estimate how many hydrogen atoms are in the Sun. This will give you good practice with scientific notation, since the numbers involved are very large! See Appendix C for a review of scientific notation.)

次に、太陽の水素原子がすべてヘリウムに変わったとしよう。総計どれだけのエネルギーが生じるか。答えを求めるには、太陽の水素原子の数を見積もる必要がある。非常に大きな数字を扱うので、科学的記数法のよい練習になるはずだ。科学的記数法の復習は付録Cを参照しよう。

Models of the Sun indicate that only about 10% of the total hydrogen in the Sun will participate in nuclear reactions, since it is only the hydrogen in the central regions that is at a high enough temperature. Use the total energy radiated per second by the Sun, $3.8\times {10}^{26}$ watts, alongside the exercises and information given here to estimate the lifetime of the Sun. (Hint: Make sure you keep track of the units: if the luminosity is the energy radiated per second, your answer will also be in seconds. You should convert the answer to something more meaningful, such as years.)

太陽モデルによると、太陽にある水素全体のうち、核反応に参加するのは約10%だけである。十分に高温なのは、中心領域の水素だけだからだ。太陽が毎秒放射するエネルギーの総量$3.8\times {10}^{26}$ワットと、ここまでの問題や情報を使い、太陽の寿命を見積もろう。ヒント：単位をしっかり追うこと。光度が毎秒放射されるエネルギーなら、答えの単位も秒になる。年など、もっと意味をつかみやすい単位へ換算しよう。

Show that the statement in the text is correct: namely, that roughly 600 million tons of hydrogen must be converted to helium in the Sun each second to explain its energy output. (Hint: Recall Einstein’s most famous formula, and remember that for each kg of hydrogen, 0.0071 kg of mass is converted into energy.) How long will it be before 10% of the hydrogen is converted into helium? Does this answer agree with the lifetime you calculated in Question 35?

本文の記述が正しいこと、すなわち、太陽のエネルギー放出を説明するには、毎秒約6億トンの水素をヘリウムに変換しなければならないことを示そう。ヒント：アインシュタインの最も有名な式を思い出すこと。水素1 kgにつき、0.0071 kgの質量がエネルギーへ変わる。水素の10%がヘリウムに変わるまで、どれくらいかかるか。この答えは、問題35で求めた寿命と一致するだろうか。

Every second, the Sun converts 4 million tons of matter to energy. How long will it take the Sun to reduce its mass by 1% (the mass of the Sun is $2\times {10}^{30}$ kg)? Compare your answer with the lifetime of the Sun so far.

太陽は毎秒400万トンの物質をエネルギーに変える。質量が1%減るまでに、どのくらいかかるだろうか。太陽の質量は$2\times {10}^{30}$ kgである。答えを、太陽がこれまでに生きてきた時間と比べよう。

Raymond Davis Jr.’s neutrino detector contained approximately 10³⁰ chlorine atoms. During his experiment, he found that one neutrino reacted with a chlorine atom to produce one argon atom each day.

レイモンド・デイヴィス・ジュニアのニュートリノ検出器には、約10³⁰個の塩素原子が入っていた。実験では、毎日1個のニュートリノが塩素原子と反応して、アルゴン原子を1個作るとわかった。