太陽のエネルギーはどこから来るのか？

エネルギーは太陽の中心に集中している

巨大なスケールを持つ巨星

太陽は直径が地球の109倍、つまり地球から月までの距離の3.6倍の巨大な恒星です。その体積は地球の130万倍です。

圧倒的な重力と極めて高密度な核

この巨大な質量（1.989×10³⁰ kg）の表面重力（274 m/s²、地球の28倍）は、物質を中心部で圧縮します。核の直径は地球から月までの距離に等しいにもかかわらず、核の体積は全体のわずか1.5％を占めます。

核融合：毎秒6億2700万トンの水素

それでも、太陽の中心部では、約1500万ケルビン（1 K = -273.15 °C）の温度で、毎秒6億2700万トンの水素が融合し、6億2270万トンのヘリウムを生成します。質量の差（430万トン）はエネルギーに変換され、4×10²⁶ジュール、つまり約1.5×10¹⁹キロワット時（10兆の10兆kWh）です。

45億7000万年にわたり、太陽は毎秒400万トンの水素を消費しています。

極限の圧力と温度の条件

太陽の中心部における重力圧は26ペタパスカル（26×10¹⁵ Pa）で、地球表面の大気圧の2600億倍です。この圧力下では、1 m³の水素が150トンの重さがあります。地球上の1 m³の水素は90グラムです。したがって、太陽の中心部の1 m³には、地球上の1 m³の水素よりも160万倍多くの水素原子が含まれています（思ったほど多くありません）。

融合の引き金とその莫大なパワー

この圧力と温度（1500万ケルビン）で、核融合が始まります。
水素原子核が融合し、ヘリウム原子核を形成し、膨大なエネルギーを放出します（我々の発電所で起こる核分裂の15倍）。

核融合の中心における量子確率

粒子融合の確率

陽子の確率的な性質

陽子のサイズや位置は、曲線で表される確率密度です。 曲線のピークから離れるほど、陽子の存在やサイズの確率は低くなります。しかし、曲線の底部では、2つの陽子が融合する確率は低いですがゼロではありません。

必要条件：陽子間の接触

核反応が「点火」するためには、陽子（水素原子核）が接触する必要があります。 そして、2つの陽子のうちの1つが中性子に変わります。

放射能なしでは、この変換は不可能です。 2つの陽子は、接触してもクーロン障壁を超えることができず、互いに反発します。

融合を引き起こす稀な出来事

しかし、陽子は一時的にWボソンを放出して中性子に変わることができます。 このWボソンはすぐに再吸収され、中性子は再び陽子に戻ります。

非常に稀に、Wボソンが陽電子とニュートリノに崩壊し、その時中性子は中性子のまま残ります。 そして、他の陽子と融合して重水素核を形成し、「陽子-陽子連鎖」を引き起こすことができます。

2つの陽子を融合させる方法

クーロン障壁：電気的な障害

2つの陽子が融合するためには、それらを分ける距離が非常に小さく、核のサイズ（10⁻¹⁵メートル）である必要があります。そのためには、クーロン障壁（2つの陽電荷を帯びた陽子間の電気的相互作用の力）を超える必要があります。この力は2つの電荷の積に比例し、2つの電荷間の距離の二乗に反比例します（2つの陽子を「くっつける」ためには相当なエネルギーが必要です）。

太陽温度の不十分さ

陽子が近づけば近づくほど、それらを「くっつける」ために必要なエネルギーは増加します。1500万ケルビンでも、クーロン障壁を超えるためのエネルギーは不十分です。陽子同士の激しい衝突は、強い核相互作用の泡を十分に圧縮して2つの陽子を「くっつける」ことはできません。
理論的には、陽子は50億ケルビンの温度に達するために20,000 km/sで移動する必要があります。1500万ケルビンでは、陽子は600 km/sで移動します。

古典物理学は融合を否定する

しかしながら、1500万ケルビンは平均温度です。マクスウェル・ボルツマンの温度に関する粒子分布曲線によれば、陽子は20,000 km/sに達することはなく、したがって融合は不可能です。

量子物理学：トンネル効果

融合を達成するためには、量子物理学を考慮に入れる必要があります。
陽子のサイズや位置は、曲線で表される確率密度です。曲線のピークから離れるほど、陽子の存在やサイズの確率は低くなります。曲線の底部では、2つの陽子が融合する確率は非常に低いですがゼロではありません。
量子オブジェクトが、そのエネルギーが障壁を超えるために必要な最小エネルギーよりも低い場合でも、ポテンシャル障壁を超えることができる性質をトンネル効果と呼びます。

クーロン障壁の克服

トンネル効果：1500万ケルビンでの十分な確率

クーロン障壁を超えることは低温では不可能ですが、1500万ケルビンの平均であれば、50億ケルビンに達することなくトンネル効果が起こる可能性が高まります。

絶え間ない衝突と融合の機会

毎秒、陽子は2×10¹⁵回の衝突を経験し、トンネル効果は10⁸回の衝突に1回発生します。したがって、各陽子には2000万回の融合の機会があります。

パウリの排他原理：なぜすべてが融合しないのか

では、なぜ太陽のすべての陽子が1秒で融合しないのでしょうか？
2つの陽子は、強い核相互作用によって結びついていても、ヴォルフガング・エルンスト・パウリ（1900–1958）の排他原理により共存することができないからです。したがって、各陽子はトンネル効果によって毎秒2000万回他の陽子と融合し、瞬時に分離します（10⁻²¹秒）。

ヘリウム核の製造：中性子が必要

ヘリウム核を製造するためには、2つの陽子と2つの中性子を融合させる必要があります。
中性子はどこから来るのでしょうか？

弱い核相互作用：陽子 → 中性子の変換

弱い核相互作用（放射能）が我々の融合に介入します。弱い核相互作用（強い核相互作用の10万分の1の強さ）は、陽子が他の陽子と接触している時に、非常に低い確率（10²⁴分の1）で中性子に変わることを可能にします。これが起こると、重水素核が現れ、ニュートリノと陽電子を放出します。陽電子はすぐに周囲の電子と対消滅し、物質を純粋なエネルギー（E=mc²）に変換します。

陽子-陽子連鎖：ヘリウム3からヘリウム4へ

重水素は同じ原理で純粋なエネルギー（ガンマ線）を放出しながらヘリウム3に変わります。その後、2つのヘリウム3核が2つのヘリウム4核を形成します。

46億年にわたって維持されてきた脆いバランス

この「陽子-陽子連鎖」と呼ばれるプロセスは、非常に低い融合確率のおかげで46億年にわたって維持されています。

FAQ：太陽のエネルギーについて知っておくべきことすべて