太陽はどうして燃えているの？

仕組みの科学

太陽が輝くエネルギー源は、中心核で起こる水素の核融合反応である。太陽の中心温度は約1600万度、圧力も極めて高く、この条件下で4個の水素の原子核（陽子）が段階的な反応を経て1個のヘリウムの原子核へと融合する。重要なのは、反応の前後でごくわずかに質量が減る点だ。この失われた質量は消えたのではなく、アインシュタインの関係式 E=mc² に従って莫大なエネルギーに姿を変える。わずかな質量差でも光速の二乗という巨大な係数がかかるため、生み出されるエネルギーは桁外れになる。生成したエネルギーはまず中心核を出て、光（放射）として少しずつ伝わる放射層を抜け、次に高温のガスがわき上がる対流層を通って表面へ運ばれる。中心で生まれた光のエネルギーが表面に届くまでには、非常に長い時間がかかると考えられている。そして表面（約6000度）から、ようやく可視光や熱として宇宙空間へ放たれるのだ。私たちが浴びる日ざしは、太陽の中心が生んだ核融合の証といえる。

歴史と発見

太陽がなぜ輝くのかは、長らく科学者を悩ませてきた難問だった。19世紀には、太陽は石炭のように何かを燃やしているという素朴な説もあったが、それでは太陽の膨大なエネルギーを数千年しか支えられず、地球の歴史と合わない。そこで物理学者ケルビンらは、太陽が自らの重力で少しずつ縮み、その位置エネルギーで輝いているという『重力収縮説』を唱えた。しかしこれでも数千万年ほどしか説明できず、地質学が示す地球の年齢と矛盾した。転機は20世紀、原子核物理学の登場である。アインシュタインが質量とエネルギーの等価性を示し、やがて研究者たちは、恒星の内部で水素がヘリウムへ融合する核反応こそがエネルギー源だと突き止めた。太陽は中心にある大量の水素を少しずつヘリウムへ変えており、その豊富な燃料があるからこそ長い寿命をもつ。こうして、太陽のような星が数十億年ものあいだ輝き続けられる理由が、ようやく理論的に説明されたのだ。国立天文台などの解説でも、この核融合の仕組みが太陽の輝きの源として紹介されている。

もう一歩先

核融合という視点は、太陽だけでなく宇宙全体を読み解く鍵になる。夜空に見える星の多くは、太陽と同じように中心で水素を燃やして輝く『主系列星』だ。星は無限に輝き続けるわけではなく、中心の水素を使い果たすと構造が変わり、ふくらんで赤色巨星になったり、最後には別の姿へと移り変わっていく。さらに興味深いのは、核融合が『元素の工場』でもあるという点だ。宇宙のはじめには水素やヘリウムなど軽い元素しかなかったが、星の内部の核融合で炭素や酸素といった重い元素が作られ、星の一生の終わりに宇宙へまき散らされた。私たちの体をつくる炭素や酸素も、もとをたどれば昔の星の中で生まれたものだ。『人は星のかけらからできている』と言われるゆえんである。また、太陽が起こす核融合を地上で再現し、無限に近いエネルギー源にしようという研究も世界中で進められている。太陽を理解することは、宇宙の過去と私たちの未来の両方を見つめることにつながっている。