中性子星やあれこれ

そんなに詳しくはないくせに、嫌いじゃないので
始めたら止まらないのは分かってますから
しばらく封印していたこの手のお話しですが、
先日書いてしまったことで火が点きました。^^;;
どぉせ後から聞かれるであろうことも書いて
おくことにしました。

表題の内容に入る前に先日投稿に追記
クォークでは陽子と中性子だけを書きましたが
電子はどこにイッちゃった?と聞かれたました。
電子はレプトンに分類される素粒子なので、
クォークの話の中ではお控えいただいたと
いうことであります。

さて、中性子に入る前にまずは基本のおさらいで
恒星あたりから行きます。

太陽のような巨大な恒星は、自らの重力で縮まろうとしますが、
中心部の高温と高密度により水素が核融合を起こし、
ヘリウムが生成されるときのエネルギーが反発する斥力となり、
絶妙ななバランスで球体を保っています。

中を覗いてみる@プラズマ状態

恒星のエネルギー源となる水素は、原子核が陽子1個、その周りを
電子1個が周っているという最も単純で軽い元素ですが、
恒星の重力により中心に行くほど高温・高密度になり、
チンチンになった水素がギュウギュウ詰め状態になります。
水素原子は原子核の周りを電子が周っていますが、
極端な高温高密度になると、この構造が破壊され
陽子と電子が単独で動き回るプラズマ状態になります。
これが特別な状態かというとそぉではなく、宇宙にある物質の
質量の99%がプラズマですからいわゆるありふれた状態であり、
これが宇宙のスタンダードと言えそうです。

更に中心へ@核融合

陽子はプラスの電荷を帯びており、陽子同士は反発して
くっつくことはないのですが、とんでもない高温・高密度の
状況下では圧縮のほうが勝り、陽子同士の衝突という現象が
始まり、これが核融合です。

 核融合は核分裂と逆の過程をたどります。
 核分裂は原子力発電や原爆に使われますが
 核融合は水爆(中性子爆弾や3F爆弾を含む)に
 使われており、その威力は原爆の比ではありません。
 

この核融合で水素はヘリウムになり、原子核には陽子が2個と
いくつかの中性子、電子が2個となり、水素よりは質量が大きくなります。
いくつかの中性子と書いたのは、中性子が1個の時は
ヘリウム3、2個の時はヘリウム4などとなるからです。
要は原子核にある陽子2個と中性子数を加えた数字がヘリウムの
同位体の名称になるということですね。
人工的に生成されたものにはヘリウム6・8・10などがあります。
 同じ元素でも中性子の数が異なるものがあり、
 それを同位体と言います。

巨大化&縮小@繰り返し

生成されたヘリウムは水素より重たいので、コア部分に沈みこみ、
押し出された水素は浮き上がったような状態になり、今度はヘリウムとの
境界(表面に近いところ)で核融合を始めるため、重力より斥力が勝り、
恒星は巨大化します。
ところが巨大化することで今度は中心の温度が下がることで斥力が落ち、
一転して縮小を始めます。
この縮小により、今度はコアにあるヘリウムが核融合を起こすほどの
高温・高密度となってしまいます。
ヘリウムが核融合を起こすと更に質量の大きな炭素が生成されます。
更に炭素がコアに潜り込むことで拡大・縮小は繰り返されます。

太陽クラスの質量では炭素の核融合でおしまいです。
つまり太陽は巨大化・縮小を繰り返しながら終焉を迎えることに
なります。@50億年後

質量の大きな恒星の核融合

質量が太陽の8倍以上のの恒星は、とんでもない重力により中心部は更に
高温・高密度となるため、炭素も核融合してネオンを生成します。
ネオンも核融合で酸素が生成され、酸素も核融合を起こしシリコンを生成、
更にシリコンの核融合というように、段階的に重たい物質を生成して、
最後に鉄が生成されます。
面白いのは核融合の間隔がどんどん短くなっていくことで、炭素から
ネオンは数百年、ネオンから酸素は1年、酸素からシリコンは数ヶ月、
最後の鉄までに至ってははわずか1日なのだそうです。
 シリコンと書きましたがケイ素のほうが天文学ぽいかもしれませんね。w

で、鉄はとても安定していてこれ以上核融合しないため、鉄が
生成された時点で核融合がとまってしまいます。
核融合際発生する莫大なエネルギーが消えてしまったことで、
重力に反発していた斥力もなくなるため恒星は一気に収縮します。
どのくらい一気かというと光速の1/4の速さだそうです。(@_@;;

鉄は核融合を起こさないほど安定しているのですが、もうちょっと
詳しく説明すると、鉄は高エネルギーのガンマ線によって光崩壊
ってやつを起こします。
光崩壊で鉄はヘリウムと中性子に分解されてしまうため、中心部は
空洞化したようななり、周りの物質が一気に中心へ落ち込み、
それが圧縮されコアができます。

いずれにしても一気に収縮、硬いコアが出来ると収縮した物質が
コアで反射し、その衝撃波が外部へ広がり、コアの外側にある
全て物質を宇宙空間に吹き飛ばして星が崩壊するということです。
これが重力崩壊型の超新星爆発です。
超新星爆発の後にはとんでもなく高温・高密度の直径10数KM〜20Km程度の
コアの部分だけが残ります。

原子の構造は原子核の周りを電子が周っていますが、原子核は小さく、
電子は比較的離れたところを周っているので、実はスカスカって感じですね。
しかしあまりの高密度になると、その間隔が潰され、原子核の中にある
陽子が電子とくっついて捉えます。
陽子と電子の電荷は逆なので打ち消し合い中性子になってしまいます。
つまり残ったコアだけの天体は中性子星となります。

  元々の恒星の質量が更に大きい場合は、
  恒星質量ブラックホールなります。

中性子星

中性子星はちょいと質量が足りなかったために、ブラックホールに
なりそこねた残念な天体といえます。w
とは言え、斥力がなくなった恒星の残骸は極限に近い高温・高密度となり、
角砂糖の大きさで10億t・・・(@_@;;
直径が20Km以下でも太陽と同じかそれより重たい。。
コアの温度は100万℃以上で・・・ってコアしか残っていない天体なので、
表面温度も100万度ということを意味します。
しかも角運動量保存の法則により、元の恒星より高速に自転し、
その速さは遅くても30秒に1回転、早いと1秒間に100回転もするそうです。。
直径20Kmの物体が1秒間に100回も回るって、まったく想像が
できないんですけど。。。
各運動量保存の法則で例えられるのはフィギュアスケートのスピンで
手足を縮めると回転が高速になるアレです。
太陽の何倍もある恒星が一気に直径20Km まで縮まったから。。。
って理屈は分かるんですけどね。
ちなみに観測史上の最速は1000回転/秒です!

高速で自転している中性子星ほど、強い磁場を持ち、特に超強力な
磁場を持つものはマグネターと呼ばれます。
その磁場強さは1億テラスとも言われていますが、ピンと来ない値なので、
20万Km離れているハードディスクのデータを削除できると言いかえれば
わかりやすい?w
物騒なこと言えば、人間が1000Km以内に近づくと確実に死に至るようです。
活動期のマグネタのスタークエーク(星震)によるガンマ線放出も
ブラックホールのガンマ線バーストに匹敵するほど強烈です。

中性子星でもこんなにヤバイのに、クオーク星やストレンジ星はもっとヤバイ。
さらにその上をゆくブラックホールもある。。。
宇宙にはそんなのが無数にちかいだけ存在しています。
生命の存在しうる地球の環境ってホントに奇跡なんですね。

蛇足

最初の方で火が点きましたと書きました。
火が付く・火が着くといろいろあるけどどれが正しい?
点火・火付け・着火・・・・皆それっぽいですねぇ。
ま、気分で本日は【点】ということで。

イイ時間になったので本日はここでお開きとします。

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