一度に一つの宇宙
星を作りたいとします。 おそらく、あなたは高度なKardashevタイプ3文明の一部であり、あなたはあなたの三年生の科学プロジェクトのための星を作る必要があります。 どのように星を作ることについて行くだろうか？
基本的なレベルでは、星を作るのは非常に簡単です。 単にガスと塵の星の価値を収集し、それが自重の下で一緒に崩壊させ、星が形成されます十分な時間を与えられました。 これが星が自然に形成される方法です。 しかし、私たちはこのプロジェクトで評価されるかもしれないので、私たちが必要とするかもしれないどのくらいの質量、そして結果として生じる星の大きさと温度が何であるかのアイデアを持っているといいでしょう。
答えは、あなたが使用する材料、および材料が異なる温度と圧力（時々その状態方程式と呼ばれるもの）の下でどのように振る舞うかにかなり依存します。 宇宙で最も一般的な材料は水素であるため、物事をシンプルに保ち、純粋な水素から星を構築すると仮定します。 水素は非常に単純な状態方程式を持っているので、私たちが星を作るときに何が起こるかを計算するのは簡単な問題です。
質量による惑星の大きさ。
私たちが一緒に水素を集め始めると、二つのことが起こり始めます。 最初は、水素原子間の重力引力がそれ自身の重量の下でガスを崩壊させ始めるということです。 第二は、水素の圧力が重量に対して押し戻されるということです。 与えられた時間、ガスは、ガスの圧力は、あなたが水素の安定したボールを持っている時点で、その重量に等しい静水圧平衡に到達します。 これだけでは星を作るのに十分ではありません。 土星の質量分の水素を集めた場合、あなたが持っているのは土星サイズの惑星であり、星ではありません。 明らかな解決策は、単にあなたの惑星が大きくなり、大きくなるだろうより多くの水素を追加することです。 最終的にあなたのガスの球は木星サイズの惑星に成長し、あなたはより多くの水素を加え続けるだけです。
木星型惑星のピークサイズ。
しかし、あなたの惑星にもっと水素を加え続けると面白いことが起こることが判明しました。 あなたが持っているより多くの水素、あなたが持っているより多くの質量、そしてそれはより多くの重量を意味します。 ガスはより強く圧迫され、その結果、圧縮される。 したがって、土星サイズの惑星の質量を2倍にすると、土星の2倍の大きさの惑星は得られません。 あなたは土星より少し大きいが、より高い密度を持つ惑星を得る。 例えば、木星は土星の3倍以上の質量ですが、サイズは約15％しか大きくありません。 しかし、木星は土星の約2倍の平均密度を持っています。
質量を増やし続けると、あなたの惑星は約3木星の質量まで大きくなります。 その時点で、水素のボールの重さは非常に大きく、より多くを追加すると実際に惑星が小さくなります。 その結果、木星の質量の10倍の惑星は、木星自体とほぼ同じ大きさになります。 これは、太陽系外惑星を研究する天文学者のための本当の挑戦を提起します。 惑星が木星の大きさであるからといって、それが木星の質量を持っているという意味ではありません。 同じことがより小さな惑星にも当てはまります。 地球より少し大きい「超地球」惑星は、それが何でできているかに応じて、岩の多い惑星または小さな海王星のような惑星である可能性があります。
褐色矮星vs星。 クレジット：P.Marenfeld&NOAO/AURA/NSF
あなたの水素の球が約15木星質量に達すると、褐色矮星の体制に入ります。 より多くの質量を加えることはそれをより小さくし続けますが、この時点までに内部の温度は重要な役割を果たし始めます。 静水圧平衡の我々の単純なモデルでは十分ではありません。 中心部の水素は非常に強く圧迫されているので、それは大幅に加熱されます。 したがって、褐色矮星は木星とほぼ同じ大きさですが、10倍以上の高温になる可能性があります。 より多くの質量を加えることは、褐色矮星をわずかに縮小し続けますが、内部が非常に熱くなり、追加された重量が絞ることができるよりも速く水素の圧力を上昇させる点があります。 惑星の最大サイズがあるのと同じように、褐色矮星の最小サイズがあります。 その最小サイズは木星の約80％であり、その時点で褐色矮星の温度は約2000Kである。 このような褐色矮星は、小さな薄暗い星のように見えます。
主系列星の大きさと質量。
しかし、真の星は、核融合がそのコアで起こるものです。 星の光と熱は重力の収縮によるものではなく、水素をヘリウムに融合させることによってエネルギーが生成されます。 これは、水素のボールが約90木星の質量に達したときに発生し始めますが、これは偶然にも最小サイズの褐色矮星とほぼ同じ質量です。 今、あなたは星を作ったことを、より多くの水素を追加するだけで、それが大きく、熱くなります。 恒星は核内で水素を融合させるため、その大きさと密度は時間の経過とともに変化します。 しかし、安定した主系列星だけを考えると、質量と大きさの間には単純な関係があります。 だから、どれくらいの水素を使用するかを決めて、星の大きさを計算することができます。
もちろん、これは単なる仮説的な星です。 実際の星は純粋に水素で作られているわけではなく、その起源や年齢によっては、私たちの単純な星とは非常に異なる振る舞いをすることがで 詳細は、読者のための宿題の練習として残されます。