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

Energy is a challenging concept to grasp because it exists in so many different forms that it defies any single simple explanation. In many ways, comprehending energy is like comprehending wealth: There are very different forms of wealth and they follow different rules, depending on if they are the stock market, real estate, a collection of old comic books, great piles of cash, or one of the many other ways to make and lose money. It is easier to discuss one or two forms of wealth—or energy—than to discuss that concept in general.

エネルギーは理解しにくい概念である。あまりに多様な形で存在するため、一つの簡単な説明では捉えきれない。エネルギーを理解することは、いろいろな意味で、富を理解することに似ている。富には非常に異なる形があり、株式市場、不動産、古い漫画本のコレクション、大量の現金、そのほか数多くのお金を得たり失ったりする方法のどれであるかによって、従う規則が異なる。富でもエネルギーでも、一つか二つの形について論じるほうが、その概念を一般的に論じるより容易なのである。

When striving to understand how the Sun can put out so much energy for so long, scientists considered many different types of energy. Nineteenth-century scientists knew of two possible sources for the Sun’s energy: chemical and gravitational energy. The source of chemical energy most familiar to them was the burning (the chemical term is oxidation) of wood, coal, gasoline, or other fuel. We know exactly how much energy the burning of these materials can produce. We can thus calculate that even if the immense mass of the Sun consisted of a burnable material like coal or wood, our star could not produce energy at its present rate for more than few thousand years. However, we know from geologic evidence that water was present on Earth’s surface nearly 4 billion years ago, so the Sun must have been shining brightly (and making Earth warm) at least as long as that. Today, we also know that at the temperatures found in the Sun, nothing like solid wood or coal could survive.

太陽がこれほど大量のエネルギーを長期間放出できる理由を理解しようとして、科学者は多くの種類のエネルギーを検討した。19世紀の科学者が知っていた太陽エネルギーの候補は、化学エネルギーと重力エネルギーの二つだった。彼らに最も身近な化学エネルギー源は、木材、石炭、ガソリンなどの燃料の燃焼、化学用語では酸化だった。これらの物質の燃焼で、どれだけのエネルギーを生み出せるかは正確にわかる。したがって、太陽の巨大な質量が石炭や木材のような燃える物質からできていたとしても、現在の割合でエネルギーを生み出せるのは、数千年が限度だと計算できる。しかし地質学的証拠から、約40億年前には地表に水が存在していたことがわかる。だから、太陽は少なくともそれほど長い間、明るく輝き、地球を暖めてきたに違いない。さらに現在では、太陽に見られる温度のもとでは、固体の木材や石炭のようなものは存在し続けられないこともわかっている。

Other nineteenth-century attempts to determine what makes the Sun shine used the law of conservation of energy. Simply stated, this law says that energy cannot be created or destroyed, but can be transformed from one type to another, such as from heat to mechanical energy. The steam engine, which was key to the Industrial Revolution, provides a good example. In this type of engine, the hot steam from a boiler drives the movement of a piston, converting heat energy into motion energy.

19世紀には、エネルギー保存則を使って太陽が輝く理由を突き止めようとする試みもあった。簡単に言うと、この法則は、エネルギーは生み出すことも消すこともできないが、熱から力学的エネルギーへというように、ある形から別の形へ変換できるというものである。産業革命の鍵となった蒸気機関が、よい例を示している。この種の機関では、ボイラーの高温の蒸気がピストンを動かし、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する。

Conversely, motion can be transformed into heat. If you clap your hands vigorously at the end of an especially good astronomy lecture, your palms become hotter. If you rub ice on the surface of a table, the heat produced by friction melts the ice. The brakes on cars use friction to reduce speed, and in the process, transform motion energy into heat energy. That is why after bringing a car to a stop, the brakes can be very hot; this also explains why brakes can overheat when used carelessly while descending long mountain roads.

逆に、運動は熱に変えられる。特にすばらしい天文学の講義の終わりに勢いよく拍手すると、手のひらは熱くなる。机の表面で氷をこすると、摩擦が生む熱で氷が融ける。自動車のブレーキは摩擦を使って速さを落とし、その過程で運動エネルギーを熱エネルギーに変える。そのため車を止めた後のブレーキは、非常に熱くなっていることがある。長い山道を下るときに不注意な使い方をすると、ブレーキが過熱する理由もこれである。

In the nineteenth century, scientists thought that the source of the Sun’s heat might be the mechanical motion of meteorites falling into it. Their calculations showed, however, that in order to produce the total amount of energy emitted by the Sun, the mass in meteorites that would have to fall into the Sun every 100 years would equal the mass of Earth. The resulting increase in the Sun’s mass would, according to Kepler’s third law, change the period of Earth’s orbit by 2 seconds per year. Such a change would be easily measurable and was not, in fact, occurring. Scientists could then disprove this as the source of the Sun’s energy.

19世紀の科学者は、太陽の熱源は、太陽に落下する隕石の力学的な運動かもしれないと考えた。しかし計算すると、太陽が放出するエネルギーの全量を賄うには、100年ごとに地球と同じ質量の隕石が太陽へ落ちなければならないことがわかった。それだけ太陽の質量が増えると、ケプラーの第3法則に従って、地球の公転周期は1年当たり2秒変わることになる。このような変化は容易に測定できるはずだが、実際には起きていなかった。こうして科学者は、この考えを太陽のエネルギー源として退けることができた。

Proposing an alternative explanation, British physicist Lord Kelvin and German scientist Hermann von Helmholtz (Figure 16.2), in about the middle of the nineteenth century, proposed that the Sun might produce energy by the conversion of gravitational energy into heat. They suggested that the outer layers of the Sun might be “falling” inward because of the force of gravity. In other words, they proposed that the Sun could be shrinking in size, staying hot and bright as a result.

別の説明として、19世紀半ばごろ、英国の物理学者ケルヴィン卿とドイツの科学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（図16.2）は、太陽が重力エネルギーを熱に変換してエネルギーを生み出している可能性を提案した。太陽の外層が重力によって内側へ「落ち込んで」いるのではないか、と考えたのである。言い換えると、太陽は大きさが縮み、その結果、高温で明るい状態を保っているのかもしれないという提案だった。

To imagine what would happen if this hypothesis were true, picture the outer layer of the Sun starting to fall inward. This outer layer is a gas made up of individual atoms, all moving about in random directions. If a layer falls inward, the atoms acquire an additional speed because of falling motion. As the outer layer falls inward, it also contracts, moving the atoms closer together. Collisions become more likely, and some of them transfer the extra speed associated with the falling motion to other atoms. This, in turn, increases the speeds of those atoms. The temperature of a gas is a measure of the kinetic energy (motion) of the atoms within it; hence, the temperature of this layer of the Sun increases. Collisions also excite electrons within the atoms to higher-energy orbits. When these electrons return to their normal orbits, they emit photons, which can then escape from the Sun (see Radiation and Spectra).

この仮説が正しければ何が起こるかを思い描くために、太陽の外層が内側へ落ち始めるところを想像しよう。この外層は、さまざまな方向へ不規則に動き回る個々の原子からなるガスである。層が内側へ落ちると、原子は落下運動によって追加の速さを得る。外層は内側へ落ちると同時に収縮し、原子同士を近づける。衝突が起こりやすくなり、その一部は、落下運動によって増えた速さをほかの原子へ伝える。それによって、それらの原子の速さも増す。気体の温度は、その中の原子の運動エネルギーの尺度なので、この太陽の層の温度は上昇する。衝突はまた、原子内の電子を、エネルギーの高い軌道へ励起する。電子が通常の軌道へ戻ると光子を放出し、その光子は太陽から脱出できる（「放射とスペクトル」参照）。

Kelvin and Helmholtz calculated that a contraction of the Sun at a rate of only about 40 meters per year would be enough to produce the amount of energy that it is now radiating. Over the span of human history, the decrease in the Sun’s size from such a slow contraction would be undetectable.

ケルヴィンとヘルムホルツは、太陽が1年にわずか約40メートルの割合で収縮すれば、現在放射しているだけのエネルギーを生み出すには十分だと計算した。このように遅い収縮による太陽の大きさの減少は、人類の歴史の時間幅では検出できないだろう。

If we assume that the Sun began its life as a large, diffuse cloud of gas, then we can calculate how much energy has been radiated by the Sun during its entire lifetime as it has contracted from a very large diameter to its present size. The amount of energy is on the order of 10⁴² joules. Since the solar luminosity is $4\times {10}^{26}$ watts (joules/second) or about ${10}^{34}$ joules per year, contraction could keep the Sun shining at its present rate for roughly 100 million years.

太陽は大きく広がった希薄なガス雲として生まれたと仮定すると、非常に大きな直径から現在の大きさまで収縮する間に、生涯全体で放射したエネルギーを計算できる。その量は10⁴²ジュール程度である。太陽の光度は$4\times {10}^{26}$ワット（ジュール毎秒）、1年当たりでは約${10}^{34}$ジュールなので、収縮によって、太陽を現在の割合でおよそ1億年間輝かせ続けられる。

In the nineteenth century, 100 million years at first seemed plenty long enough, since Earth was then widely thought to be much younger than this. But toward the end of that century and into the twentieth, geologists and physicists showed that Earth (and, hence, the Sun) is actually much older. Contraction therefore cannot be the primary source of solar energy (although, as we shall see in The Birth of Stars and the Discovery of Planets Outside the Solar System, contraction is an important source of energy for a while in stars that are just being born). Scientists were thus confronted with a puzzle of enormous proportions. Either an unknown type of energy was responsible for the most important energy source known to humanity, or estimates of the age of the solar system (and life on Earth) had to be seriously modified. Charles Darwin, whose theory of evolution required a longer time span than the theories of the Sun seemed to permit, was discouraged by these results and continued to worry about them until his death in 1882.

19世紀には、地球は1億年よりもはるかに若いと広く考えられていたので、最初は1億年でも十分に長いように思えた。しかし19世紀末から20世紀にかけて、地質学者や物理学者は、地球、したがって太陽も、実際にはずっと古いことを示した。そのため収縮は、太陽エネルギーの主要な源ではありえない。ただし「恒星の誕生と太陽系外惑星の発見」で見るように、生まれたばかりの恒星では、収縮はしばらくの間、重要なエネルギー源になる。科学者はこうして、巨大な謎に直面した。人類が知る最も重要なエネルギー源が、未知の種類のエネルギーによって支えられているのか。それとも、太陽系や地球の生命の年齢の推定を、大きく修正しなければならないのか。チャールズ・ダーウィンの進化論には、当時の太陽の理論が許すように思われた時間よりも長い期間が必要だった。ダーウィンはこの結果に落胆し、1882年に亡くなるまで気にかけ続けた。

It was only in the twentieth century that the true source of the Sun’s energy was identified. The two key pieces of information required to solve the puzzle were the structure of the nucleus of the atom and the fact that mass can be converted into energy.

太陽エネルギーの真の源が明らかになったのは、20世紀に入ってからだった。謎を解くために必要だった二つの鍵は、原子核の構造と、質量がエネルギーに変わりうるという事実である。