星の進化論とＨＲ図表 その 5―9―恒星天文学の源流【16】星の進化論とＨＲ図表

その 5～熱核反応と星の進化論～
小暮智一（元京都大学）
1920 年代、エディントンによって星のエネが政権を握った 1933 年に英国に逃れ、1935

ルギー源として何らかのサブアトミック反応

年にアメリカに亡命する。ニューヨーク州中が必要であると知られるようになったが、具部の町イサカ市にあるコーネル大学の物理学

体的な過程は未知であった。1928 年にガモフ、 教授に招聘され、1975 の定年まで勤めるが、アトキンソンらによって反応過程解明への端

退職後もこの大学で没年の 2005 年まで研究緒が得られ、1930 年代後半に星のエネルギーを続けていた。コーネルに移った 1935 年か源として核融合反応が発見された。今回はこら 38 年にかけては、もっぱら核反応の研究の時代に星の進化論に大きな足跡を残した、を進めていた。この間に彼は星のエネルギー

ハンス・ベーテ、フォン・ワイゼッカー、ジ

源に大きな興味を持つようになったが、それョージ・ガモフの 3 人の生涯と進化論への寄については次節で述べよう。

与を辿って見よう。1930 年代末は第 2 次大1937 年、講義のためにデューク大学を訪れ、戦の時代にもあたり、また、戦後は冷戦時代

物理学教授のエワルドと親しくなった。そのとなって深刻な核戦争の脅威にさらされてい折、教授の娘ローズ・エワルド（Rose Eward）

た。ベーテやワイツゼッカーはその当事者でと巡り会い 1939 年に結婚した。2 人は大学もあったので脇道にそれるが、それにも少しのあるイサカ市に住み、2 人の子供をもうけ触れて見たい。

ている。ベーテは 2005 年 3 月に心臓発作によりこの地で死去した。享年 98 歳であった。

12. ハ ン ス ・ ア ル ブ レ ヒ ト ・ ベ ー テ （ Hans
Albrecht Bethe, 1906 ‑ 2005）
12.1

第 2 次大戦中が勃発すると彼は戦争に協力する立場をとり、ロバート・オッペンハイマー（Robert Oppenheimer）がニューメキシ

その生涯

ベーテは 1906 年 7 月、当時ドイツ領だっコ州のロスアラモスに秘密兵器研究所を開設たシュトラスブルクで生まれた。母はドイツしたとき、それに加わった。原爆製造のため系ユダヤ人であったが、ハンスは父に従ってのマンハッタン計画においてベーテは理論部

キリスト教徒になった。フランクフルトのヨ門の部長に任命され、ウラニウムの爆発的連

ハ ン ・ ウ ォ ル フ ガ ン グ ・ ゲ ー テ （ Johann

鎖反応を起こすのに必要な臨界質量の計算な

Wolfgang Goethe）大学で物理学を学び、博どに当たっていた。

士課程はミュンヘン大学でアルノルト・ゾン

戦後はアメリカ連邦政府の科学技術関係のマーフェルド（Arnold Sommerfeld）の指導

政府委員や顧問として、政策の実施にも参加を受けている。1929 年から 1933 年までミュしているが、水素爆弾の危険性を表明するな

ンヘン大学に勤務し、固体および結晶物理学

ど、平和への志向を表している。冷戦時代にの分野で大きく貢献している。

お け る 平 和 論 に つ い て は 後 述 し よ う （ 12.3

ベーテ家はユダヤ系であったため、ナチス節）。なお、伝記についてはコーネル大学ホー

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

■ 連載

―10―

恒星天文学の源流【16】ムページなどを参照した（[92], [93]）。

■35%）で γ線として毎秒、1 グラムあたり 2.2
erg のエネルギーを発生する。しかし、(1)式で得られた重水素（H2）から He4 を合成するには Li5 への変換を通して陽子を捕獲する必要がある。ベーテは最初 Li 5 が不安定と見積もったため、リチウムより重い元素合成はできないとして、陽子―陽子反応は当分放置された(後述)。
第 2 は炭素・窒素反応（後に CNO サイクルと呼ばれる）である。He は次のサイクルによって H から合成される。
C12 + H = N13 +γ ,図 33

N13 = C13 + e+

C13 + H = N14 +γ ,(2)

N14 + H = O15 +γ ,O15 = N15 + e+

N15 + H = C12 + He4

ベーテの肖像 [93]

このサイクルが一巡すると 4 個の H から
He が合成される。ここで C12 は触媒として12.2 核反応と星のエネルギー
1938 年 4 月、ジョージ・ガモフ（第 14 節）

働き、サイクルは元に戻る。ベーテはこのサはワシントンで星のエネルギー源に関する会

イクルが星のエネルギー源として有効に働く議の開催を内外の天体物理学、核物理学分野ために必要な中心温度を計算し、それを代表の研究者に呼びかけた。この会議には両分野的な星の観測値と比較した。それを表 2 に示から 10 名ほどの参加者があったが、その中そう。この表で観測値の光度、中心密度、水にハンス・ベーテも加わっていた。彼はそれ

素存在率はストレングレン（Strömgren [95]）まで星のエネルギーについてはほとんど無関の値を採用し、中心温度はエディントンモデ

心であったが、この会議で大いに触発された

ル[72] による値を用いている。

という。彼は直ちに天体物理学の習得に入り、

表 2 の結果について彼は「極めて満足でき

半年後にはエネルギー問題の検討に入った。

るものである」と述べているが、それには条その成果は翌年(1939 年)の 3 月に第 1 の論文件があって、この反応過程は主系列星に対し[94] として表れている。この論文は次に述べてのみエネルギー源として適用できる。そのるような水素からヘリウムを合成する反応の理由は表 2 のカペラの中心温度の不一致に見考察であるが、それには 2 つのプロセスが可られる。なぜなら、カペラは巨星であって、能であると考えた。

エディントンモデルによると巨星の中心温度

第 1 は陽子―陽子反応である。基本的な過は 600 万度、中心密度は 0.16 g cm-3 であるから、温度が低すぎて CNO サイクルでは説程は
H1 + H 1 = H2 + e+ +γ(1)と表される。ここで e+ は陽電子、γはガンマ線である。この反応は標準的な星中心状態（温度 2000 万 度 、 密 度 80 g/cc, 水 素 存 在 比

明できない。このような低い温度で可能な熱源としては
Li7 + H1 = 2 He4(3)が考えられるが、Li7 がなぜ巨星に存在でき

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）星の進化論とＨＲ図表 その 5

表2

―11―

炭素・窒素サイクルによる中心温度と観測との比較 [94]CN 反応による観測モデルから得られた推定値
熱生産率

中心密度

水素存在率

中心温度

中心温度

erg/g/sg/cm3%(質量比)

100 万度

100 万度

太陽

2.0

76

35

19

18.5

シリウス A

30

41

35

26

22

カペラ

50

0.16

35

6

32

U Oph A

180

12

50

25

26

Y Cyg A

1200

6.5

80

32

30

星名

るのかは未解明であった。ベーテは巨星の熱

このサイクルは 1500 万度程度のときに有効源には困って、重力収縮が主な熱源ではないに働く。ベーテは最初、太陽中心温度としてかとまで考えたりしている。

エディントンの導いた 4000 万度を信用した

当時の核反応理論では水素からリチウムよため、上のサイクルは太陽で期待される反応

り重い元素の合成は困難であった。そのため、速度に比較してあまりにも高すぎるとして、ベーテは重い元素はすべて星の誕生以前に合熱源としてのサイクルの可能性を疑っていた

成され、ラッセル組成と呼ばれる宇宙の元素のであった。また、(4)式の第 3 式に現れるニ

組成はすでにそのときから成立していたと仮ュートリノ ν は太陽ニュートリノの起源と定した。従って、星が誕生した後の進化で核してのちに観測と比較される項である。

反 応 と し て 進 行 す る の は た だ H か ら He

ベーテは 1967 年にノーベル物理学賞を受賞しているが、受賞理由は多くの研究業績のへの合成のみとなる。

こうしてベーテは CNO 反応を発見したが、 なかで「原子核反応理論への貢献、特に星の巨星の熱源に適用できないこと、重い元素の内部におけるエネルギー生成に関する発見」

存在を前提にせざるを得ないことなどに問題であった。

が残り、また、陽子―陽子反応についても課題が残っていた。
このうち、陽子―陽子反応についてはガモ
フ の 弟 子 で あ る ク リ ッ チ フ ィ ー ル ド （ C.
Critchfield）によって基本的な解が得られたの で ベ ー テ は 共同 で 論 文 に 仕 上 げ た（ [96],[97]）。それは(1)式で与えられる陽子―陽子反応に続いて He ４ を合成する次の反応サイ
クルが見出されたからである。
H2 + H1 = He3 + γ
He4 +He3 = Be7 + γ(4)

Be7 = Li7 + e+ + ν

図 34

Li7 + H1 = 2 He4

妻のローズ[91]ノーベル賞授賞式におけるベーテと

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

■ 連載

―12―

12.3

恒星天文学の源流【16】｢ロスアラモスからの道｣■

秘密裏に進んでいる水爆計画に強い危惧を抱

ベーテの戦後の活動は 1991 年に出版されいていたが、アメリカでの推進計画が当時のた｢ロスアラモスからの道｣ [98]で辿ることトルーマン大統領の決断で進められることにができる。これは「原子科学者通報」、｢サイなったときは、反対意見を述べている。彼はエンティフィック・アメリカン｣、｢アトラン水爆の威力と恐怖について次のように世論に

ティック月報｣などの雑誌や、ニューヨークタ

訴えていた。

イムス、ワシントンポストなどの新聞に掲載「計画中の水爆は広島型原爆の 1000 倍した記事を事項ごとに編集したものである。

の威力を持っており、その爆発波と熱波

事項としては「核爆弾」、「兵器管理」、「勧告は瞬時に半径 50km の人畜を殺傷し、放と異議」、｢核力｣、などがあり、そのほかに 5

射能はさらに広い範囲で瞬間的と永続的

人の物理学者の紹介や、天体物理学の解説なな被害を与えるであろう。人類にとってども含まれている。

道徳的にも多大な害となる。
・・・戦後アメリカ国内においても日本への原爆投下は誤っていたという感情が広がっており、私もそう考えている。・・・」
しかし、1950 年に朝鮮戦争が勃発すると冷戦の危機が一挙に高まり、ベーテもついに水爆製造に一役を担うようになった。
ドイツ生まれでオッペンハイマーやハイゼ
ンベルクらとも親しかったサイエンスライタ
ーのロベルト・ユンク（Robert Jungk）はその著「千の太陽よりも明るく」（1956，[100]邦訳あり）のなかで原子科学者の社会的責任

ロスアラモス市に建てられたブラッを厳しく批判している。ベーテも著書の中でドベリー科学博物館。マンハッタン計画の研

ユンクの書評を行い、彼の論調に同感しつつ究の歴史、原爆開発の歴史や、貴重な文書なも、アメリカの当事者としてオッペンハイマ

ども展示されている[99]ーやテラーらの核兵器推進者の責任を擁護す

図 35る姿勢もにじませている。ベーテは 1955 年
ベーテは戦後、アメリカの核兵器関係の政頃、ユンクに対し次のように述べている。

府顧問として政策に加わり多くの意見書や勧「わたしは内心の不安に付きまとわれ、告を出しているが、時代は激しい東西対決と依然としてそれから離れることができな｢鉄のカーテン｣下での核兵器開発競争の最中いことを、遺憾ながら告白せざるを得まにあった。平和への願いと核戦争への恐れとせん。わたしはこの問題（水爆に協力しが交じり合っていたからベーテの対応は苦渋たこと）をなお解決してはいないのです。

に満ちたものであった。例えば、サイエンテ

わたしは相変わらず自分が過ちを犯したィフィック・アメリカン誌に書かれた｢水素爆という気持ちがしています。しかし、わ弾｣という記事（1950）がある。ビキニで水たしはそれをやってしまったのです。」

爆実験の行われる 4 年前である。彼もソ連でまた、「科学と道徳」（1962）の記事はコーネ

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ル大学の民主主義研究所のマクドナルド（D.

ワイツゼッカーは外交官のエルンスト・フ

McDonald）によるインタービューに答えたォン・ワイツゼッカーの息子としてドイツ北ものであるが、その中でもベーテは科学者の部のキールで生まれた。叔父のリチャード・責任について率直な意見を述べている。例え

フォン・ワイツゼッカーは元ドイツ大統領、ば、「（核兵器の開発について）、アメリカの核

祖父はビュルテンベルグ王国の首相カール・物理学者の間に統一した反応はみられないのヒューゴー・フォン・ワイツゼッカーというですか？」という問いには「科学者の意見は名門一家である。父が外交官で各地に転勤し両極端にまたがっている。
（なかには）もっとたため、カール・フリードリッヒもそれに伴も恐るべき兵器でも、その結果を考えることって移動し、スツットガルト、バーゼル、コ

なく開発を進めるべきだという人もいペンハーゲンなどで成長した。1929 年(17 歳)

る。・・・（科学者はそれぞれ社会に対して影からベルリン大学でハイゼンベルグの指導で響力を持っているが、軍当局や議会に向けた物理学を学び、その後、コペンハーゲンでニ意見の影響力が大きい。
・・・）私に言えるこールス・ボーアから原子物理学の薫陶を受けとは軍事に関した事項について政府や各委員ている。

会はそれが平和維持の視点から望ましいもの

ワイツゼッカーはその著「人間的なるもの

であるか、将来前進できるものかどうか、良の庭」（1977, [101]）の最後に「自己紹介」

心的な判断を下すべきであると信じているとという章をおき生涯の思い出を語っているが、いうことである。」このインタービューの最後

これは生活や仕事の伝記ではなく、自らの精にベーテは次のように述べている。

神史といえるものである。そのなかで若き日「（これまで述べてきたことは科学ではのエピソードを 2 つ語っている。

なく主に技術の問題であった。）技術はわ

1 つは父がスイスのバーゼルでドイツ領事

れわれの生活に巨大な影響力を持ってきをしていた頃でカール・フリードリッヒは 12た。残念ながら軍事技術が特に際立って歳であった。祭りの踊りの列からはなれて「すいる。軍事技術は人々を大きく混乱させばらしい星空の夜の中に逃れ出た。」「星空のてきた。今でもそうである。われわれはえもいわれぬ素晴らしさの中には、何らかのまだ正しい対応を見出していない。それ

仕方で神が現在していた。
・・・同時に私はあを見出すのは科学ではなく、人間性の（道の星々が物理学の諸法則を充足している原子

徳的な）価値の見直しから由来すべきでか ら 成り 立 つガ ス 球 で あ る こ と も知 っ て いある。」

た。」｢（星と神の）二つの真理の間の緊張は、

この反省はベーテの戦後における平和活動、

解明できないものであるはずがない。｣という

とくに軍縮問題への取り組みの背景となって体験である。

いる。
「ロスアラモスからの道」は厳しい冷戦

もう 1 つはそれより 1 年ほど前に新約聖書時代を生きた良心的なアメリカ人の記録となの拾い読みを始めていた頃の話である。ある

っている。

とき、
「山上の説教の真理は私の心を打ち、私をひどく狼狽させた。もし、ここにあること

13. カール・フリードリッヒ・フォン・ワイ

が真であるなら、私の生活は間違っていたのツゼッカー（Carl Friedrich von Weizsäcker,だ。」「、 深い宗教的感動に浸っていたある夜の1912 ‑ 2007）

ことであったが、私は神への奉仕に自分の生

13.1 その生涯と人柄

涯を捧げる約束をした。」、「（そのためには）
天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

■ 連載

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恒星天文学の源流【16】■牧師となることしか考えられなかったが、私とするドイツの開発能力の高さを指摘していはやはりむしろ天文学者になりたかったのでた。その手紙がアメリカにおける核兵器開発ある。」の原動力になり、マンハッタン計画の発端に

このような体験や宗教的精神はワイツゼッ

なったことはよく知られている。ワイツゼッ

カーの生涯を貫いた大きな幹となっている。

カーは戦後、ステファニア（M. Stefania）の

しかし、それにもかかわらず彼は第 2 次大戦

インタービューのなかで「われわれは原爆を中、原爆製造という任務を遂行しなければな作らなかったが、世界初の原子炉を製造した

らなかった。

ことを誇りに思う。」と述べている[102]。
戦争終結後、1 年間、英国に拘束されていたが（このときに日本への原爆投下の事実を知らされたという）、1946 年に許されて帰国し、ゲッチンゲンのマックス・プランク研究
所の物理学部門の部長として復帰する。1957
年から 69 年まではハンブルク大学の哲学教授を務め、1970 年から 80 年までは彼のために設けられたマックス・プランク研究所の「現図 36

ワイツゼッカー(1993 年)の肖像

代世界における生存条件」部門の部長に迎え（Carl Friedrich von Weizsäcker

られ、核戦争の危険と脅威からの脱却を目指– Wikipedia, the free encyclopedia）

す軍縮、平和問題と取り組んだ。また、このころ、インドの宗教家ゴピ・クリシュナ（Gopi

ここで大戦中のワイツゼッカーについてひKrishna）と協力して「西洋科学と東洋の知と言触れておこう。彼の「自己紹介」による恵」財団を設立して、哲学の幅を東洋思想にと、1939 年のクリスマス、ベルリンにいた彼まで広げている。1980 年に定年を迎えたが、にハイゼンベルクから原爆製造の可能性につ

その後も物理学を始め、哲学、社会学、宗教

いて打診があった。それを受けて翌年、彼はの分野で多くの業績を残している。

ハイゼンベルクとともにカイザー・ウィルヘ

ワイツゼッカーは 2007 年、病を得て永眠

ルム研究所の物理学と化学研究部門を統合しした。享年 94 歳であった。その一生を振りて｢ウラン・プロジェクト｣を立ち上げた。し返るとその姿は巨大な一本の樹木のようであかし、1 年余りたった頃、彼は「原爆製造とる。物理学という太い幹の周りには哲学、宗いうことはわれわれの可能性をはるかに超え教など広い分野での活躍が緑の葉を広げていることを認識した。そしてわれわれは(核)反る。
「 世紀の巨人」という献辞も誇張ではない。

応 炉 模 型 に つい て の 仕 事に 集 中 し た の で あなお、伝記は主に[101]、 [103] によった。

る。」
しかし、アメリカではワイツゼッカーが核

13.2 熱核反応と星の進化

兵器開発に取り組んでいることに大きな脅威

ワイツゼッカーもベーテと同じように星のを感じていた。アインシュタインは 1939 年

熱源としての CNO サイクルを 1937 年に発と 1940 年の 2 回にわたってルーズベルト大見 し て い る が 、 発 見 を 伝 え る 論 文 （ [104,

統領に手紙を送り、ワイツゼッカーを責任者105]）はベーテの論理的、数量的な扱いに較

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）星の進化論とＨＲ図表 その 5―15―

べて、思索的、探求的である。彼は星の内部

セカールが「ワイツゼッカーの仮定」と呼んで進行する熱核反応を吟味し、それらが観測だものである（恒星天文学の源流[15]）。ワイ

されている水素量とどのような関係を持つか

ツゼッカーも第 2 過程を採用しているが、元について考察している。彼はまず星内部の水素合成には広い意味と狭い意味がある。

素相対量は陽子―陽子反応で重水素と陽電子

狭い意味とは星内部の核反応はエネルギーを生じ、ガンマ線を放出する熱核反応 (1) 式生産に寄与するだけである。広い意味はエネ

で説明できると考えた。しかし、この熱源はルギー生産だけでなく、星の元素組成も変化

温度の依存性が低く、主系列星の早期から晩させる、というものである。水素からヘリウ期までの大きな光度差を説明するのが難しい。 ムへの合成は知られていたが、重い元素の合
そこで、ベーテと同じように、重い元素は成過程は単純ではない。ベーテの場合と同じ星が現在の姿に生まれる以前にすでに形成さように CNO サイクルによって He が合成されていたと仮定し、水素からヘリウムへの合れるが、なぜ、星の内部に C, N のような重成にこだわらない核反応の連鎖を捜し求め、い元素が存在するかは明らかでない。従って、

その結果、(2)式と同じ形のサイクルを導き、広い意味での元素合成はワイツゼッカーの時

彼はこれを炭素サイクルと呼んだ（現在では代にはまだ未解明の過程であった。そのため、

CNO サイクル）。詳しい導出過程に触れてい重い元素の合成は星形成以前の始原的過程とないが、このサイクルの発見は 1938 年でベして存在を仮定し、その上で CNO サイクルーテより 1 年早い。このため CNO サイクルの発見に到達したのである。

の発見はベーテとワイツゼッカーの 2 人に帰上記の 4 つのエネルギー源のうち第 4 は核物理学では「絶望的な低い生起確率しかない」

せられている。
こうした熱核反応の理論に基づいて、星のとして否定している。１から 3 までの過程に進化を考察しているので、その思索の後を辿ついて、ワイツゼッカーは星の進化と関連しって見よう。

て次のように考えた。

まず、星のエネルギー生産機構として 4 つの可能性を挙げた [105]：

るので、最初は熱源１で輝くであろう。

1. 単純な重力収縮、星の化学組成の変化
2

よる熱源 2 に移る。ここで星は安定に元素合成、水素から始まって重い元素なり、生涯の多くの時間をこの熱源で過を合成しながら核エネルギーを生産すごす。
3）安定期の最後に近づくと、中心温度と星内部の物質の一部が濃密な中性子へ

中心密度の上昇からエネルギー解放がと変換することに由来する重力収縮。解急激に進み、星を直接爆発させるか、あ放されるエネルギーは重力エネルギー

るいは不安定な脈動期を経たのちかにとともに核反応エネルギーを伴ってい爆発する。

る。このエネルギー源は高密度の星に適
42）中心温度が十分に高まると熱核反応には伴わない。

る。
31）星の形成は冷たいガスの収縮から始ま

4）この爆発によって中心に中性子を含ん用される。

だコアが残り、ある時期に熱源 3 で輝質量の完全な放射への転換。物質消滅

くようになる。

によるエネルギー生産。
このうち、第 2 のエネルギー源はチャンドラ

この進化経路によると主系列星と赤色巨星との関係はどうなるのであろうか。巨星につ天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

―16―

■ 連載

恒星天文学の源流【16】■いてワイツゼッカーは、赤色巨星には水素のデの法則と調和するように仮定された。

重い同位元素が多数存在しており、その崩壊

惑星は乱流要素からではなく、乱流要素

が熱源になっているとした。しかし、その過に囲まれた静かな空間で誕生した。

程は明確でなく、赤色巨星の熱源はベーテと4.

原始星雲はガスと少量の固体微粒子からともに両者にとって未解決の問題として残さなり、惑星は微粒子間の衝突、合体によれていた。

って成長した。
5.

13.3 太陽系生成論

原始星雲の構成は大部分が水素とヘリウムであったが、その多くは角運動量とと天文学の分野でワイツゼッカーがもっとももに太陽系外に散逸した。

活躍した分野の 1 つに惑星系形成論がある。

このような乱流理論に基づく理論はガモフとそれについて概要をまとめて見よう（[106],

ハイネクの紹介 [108] によって英語圏の研[107], [108]）。

究者に大きなインパクトを与え、テル・ハー

太陽系形成論について 1930 年代に議論にル （ ter Haar ） に よ っ て 拡 張 さ れ る な どなっていたのは原始星雲の収縮によるという[109 ]、現在の惑星形成論の源流となってい星雲説と、太陽と恒星との近接遭遇による太る（Kuiper [110]参照）。

陽からの放出されたガスの凝縮によるという遭遇説であった。しかし、どちらも星雲状ガスは散逸してしまい、惑星の誕生が説明できないという困難を抱えていた。
そのなかでワイツゼッカーが 1943 年に提唱した惑星系形成論 [106] は極めて有望な説として注目を浴びた。その理論の特色をまとめて見よう。
1.

基本的に星雲説の立場を取る。古典的な
星雲説、遭遇説ともにガスは散逸して惑星系を形成しない。散逸を避ける過程として原始ガス星雲のなかの乱流に注目する。

2.

銀河系内の星間媒質には乱流が存在し、乱流要素（eddy）として種々のサイズで分布する。原始太陽星雲はそうした乱流要素の一つとして生まれた。乱流要素は

3.

重力作用によって内部のガス運動が不規

図 37

原始太陽星雲における渦動構造

則でなくなり、中心の周りのエピサイク[106]

上の矢印は星雲（円盤状）の全体的回リックな渦動を生じる。

転方向、下の矢印は渦動内のガスの運動方向

原始太陽系星雲は渦動の集まりであるが、 を示す。隣接する渦動は異なった向きに運動
渦動の分布は図 37 のように 5 個の渦動がする面で接する。

段階的に分布する。5 個という数はボー
天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）星の進化論とＨＲ図表 その 5

―17―

「平和を作ることのできるのは、自らが平和

13.4 哲学的考察
ワイツゼッカーは 1950 年代以降も量子理論や時空論など、物理学の分野でも研究を続的である人のみである。」とのべて平和教育の意義を強調している。

けているが、活動の軸足は哲学的考察に移っ

2）「人間とは何か」 この書も大著である。

たようである。考察の範囲は哲学、宗教、自前著につづいてここでも歴史的人間論が中心

然科学など多岐にわたっているが、基本にあであるが、ワイツゼッカー哲学と呼ぶべき彼るのは人間論である。彼には多数の著書があの心情で満たされている。それは自然科学者

るが、ここでは冷戦時代に書かれた「人間的によるカント流の思索と言ってよいかもしれなるものの庭」[101]と、晩年に書かれた「人ない。自然科学者とくに物理学者として、彼

間とは何か―過去、現在、未来の省察―」の文化社会批判には絶えず量子論の蓋然性と（1991 年 [111] ）（いずれも邦訳あり）につ

相対論の相対性が姿を見せる。その一方ではいて紹介して見よう。

根底にキリスト者としての宗教的精神が流れ

1）「人間的なるものの庭」 邦訳で 830 頁ている。彼は自らを「キリスト信仰に生きるに達する大著である。｢庭｣とはいくつもの小実存」と呼んでおり、生涯ドイツ ルター派か道があるという意味である。この書は人間をら離れることはなかったが、カトリックや他

歴史的存在として理解しようとする試みであの宗派に対して開かれた理解をもっていた。

る。歴史的とは人間界、自然界を問わず、彼こうした基盤に立って最後の章「人間はどこの言葉によれば「平原と危機」の連鎖である。

へ行くのか」では再び、平和論に戻り、最後「平原」とは進化が長期的、安定的に進行すに彼の決意を表明している。その言葉を再現る時期であり、｢危機｣とは短期間に急激な変しておこう。

動を示す時期で、歴史はこれを交互に繰り返「私は地球規模の破局の危機について今す。人間の歴史で言えば、危機は戦争であっ日まで自分の生涯を通して語ってきたつたり、「産業革命」や｢科学革命｣であったりすもりです。これからも語り続けていかなる。自然界では例えば星の進化に現れる急激ければと痛感しています。・・・しかし、な変化がある。

私は歴史の究極的終焉の到来を一度としこうした人間論から彼は現在（冷戦時代）て考えたことはありません。今もそうでの科学技術の時代について 4 つの｢憂慮｣を表す。今日まで力説してきたことは、 行動明している。第 1 は｢資本主義社会においてへの勇気 です。どんなことがあっても、階級格差は消滅しない｣、第 2 は「共産主義

決してたじろがないこと、でした。」

社会においては市民的自由が実現されない」、

この二つの書を読むことによって、われわ

第 3 は「近代文化において世界はますます統れはワイツゼッカーの深い泉のような人柄に治できなくなっている」、そして第 4 は「近触れることができる。

代意識においては無意味という感じがますま
す強くなっていくように見える」。彼はこうし

14. ジョージ・ガモフ（George Gamov, 1904

た憂慮を「世界国家という調整機関が存在し‑ 1968）ないこと」、それから派生する「環境破壊の危14.1 生涯と人柄

機」、｢世界の統治不可能性｣にまとめている。

ガモフ(ロシア名：ゲオルギイ・アントノヴ

平和問題についても「兵器の超強大さに頼っィチ・ガモフ)はロシアのオデッサ（現ウクラた戦争抑止は信頼のおけるものではない。」、

イナ）で生まれた。少年の頃から科学に興味

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

―18―

■ 連載

恒星天文学の源流【16】■を持っていたが、13 歳の誕生日に父からプレベルギーのブラッセルで開かれたソルベー会

ゼントされた小型望遠鏡で星空への憧れを持

議の折、彼はリューボフとともに出席するこ

ち、このとき将来は科学者になりたいと決心とができたので、そのあと帰国せずに米国にしたという。

亡命する。

1922 年にオデッサのノボロシヤ大学に入

アメリカではジョージ・ワシントン大学か学し、翌年レニングラード大学（現サンクトら招聘されて理論物理学教授になり、1954

ぺテルブルク）に転学して理論物理学を専攻

年までここにとどまる。1956 年からコロラドする。学友にレフ・ランダウ（Lev Landau）

大学で没年の 1968 年まで教鞭をとる。最後とマトヴェイ・ブロンシュタイン（Matveyの年の 8 月、ガモフは病を得てコロラド州のBronstein）がいる。ブロンシュタインは量ボルダーで死去した。享年 64 歳であった。

子重力論で知られているが人権主義を主張しガ モ フの 生 涯は コ ロ ラ ド大 学 ホ ー ム ペ ー ジ

たためにソ連邦政府によって拘束され 1938

[112] と Wikipedia [113] を参照した。

年に銃殺されている。1920 年代から 30 年代にかけてソ連では大量粛清の波がうねり、科学者の中にも犠牲になった人が多数いた。暗い時代であった。
ガモフはレニングラード大学では 1923 年
から 29 年まで核物理学の研究を進め、とくに放射性元素からのα粒子放出の機構についてトンネル効果の発見と考察を行っている。
その後、西ヨーロッパに留学して、コペンハ
ーゲンの理論物理学研究所、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所などで核物理学の研 究 に 打 ち 込み 、 ロ バ ー ト・ ア ト キ ン ソ ン（Robert Atkinson）、フリッツ・フーターマ

図 38

ガモフ（1930 年頃）の肖像 [112]ンス（Fritz G. Houtermans）らと共同で太陽、星内部での熱核反応の効率の計算を行っ14.2 星の進化論たりしている。帰国したガモフはレニングラ

ガモフは 1929 年から 1931 年頃にかけて放ードのラジウム研究所で研究を進め、1932

射性元素の崩壊を中心に核物理学の理論的研

年にはヨーロッパ初のサイクロトロンの建設究を進めていた（[114], [115]）。陽子が核内にも加わっている。

から放出されるためには原子核を取り囲む強このころ、同じ理論物理学者の仲間の 1 人、い陽電気のポテンシャルの壁を通過しなけれリ ュ ー ボ フ ・ ヴ ォ ク ミ ン ゼ バ （ Lyubovばならない。同じように陽子が原子核に捕獲

Vokhminzeva）と知り合いになり、1931 年

されるためにも陽子はポテンシャルの壁を通に結婚している。2 人は次第に自由主義的志

過しなければならない。このプロセスは量子向を強め、政治的圧迫を受けるようになった。

力学的にトンネル効果と呼ばれる。

成功しなかったが闇にまぎれて黒海沿岸から

ガモフのトンネル効果の理論は早速グリニ出国を試みたこともあったと言う。1934 年にジ天文台のアトキンソンとゲッチンゲン大学

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）星の進化論とＨＲ図表 その 5―19―のフーターマンスによって星の内部に応用さ

ネルギー生成は殻源モデルによって説明できれた（[116], [117]）。アトキンソンは 1931 年

る。これがガモフの基本的アイデアであった。

にガモフのトンネル効果とガス分子速度のマックスウェル分布を組み合わせ、星の中心温度では原子は陽電子を捕獲して重い元素を合成していくという理論を詳細に検討している。
彼は陽子捕獲過程によって星のエネルギー源と元素組成を説明しようと試みた。陽子捕獲だけですべての元素組成を説明することには成功しなかったが、トンネル効果とマックス
ウェル分布の組み合わせはその後の核融合反応の基本的過程となっている。
ガモフはアトキンソン、フーターマンスの理論に基づいて星内部の熱核反応とそれに基づく星の進化の研究に取り組む。1938 年には熱源が星の中心に集中するという点源モデルと、熱源が中心からある距離の殻状に集中する と い う 殻 源 モ デ ル と を 考 察 し た （ [118],[119]）。その結果、点源モデルは採用できないとして放棄しているが、その理由として、（１）核反応率は温度の指数関数的に増大するので、核反応の進行とともに星の光度と表面温度が急激に増大し、観測的な質量光度関係に違反すること、および、（２）このモデル

図 39によるとカペラの中心温度と密度は太陽より路。[119]小さくなり、カペラの明るさが説明できない例を示し、太陽質量の星の現在点が太陽で、ことなどを挙げている。それに代わってガモ

黒丸で示されている。

殻源モデルと HR 図上での星の進化経
質量が 2, 1, 0.5 倍太陽の３フは熱核反応には選択的温度効果が存在し、ある温度で核反応率が最大になると考えた。

ガモフはそれ以後、個別の核反応の評価よ

この場合には星の中心からある半径で有効なりも、殻源モデルに基づく星の進化論に重点温度となり、その半径に近い殻内で熱核反応を 置 いて 議 論を 進 め て い る。 彼 の 到 達 点 はが発生し、殻内部は不活性の等温核になる。

1941 年にポピュラー・アストロノミー誌に掲

核反応によって水素量が減少すると熱源の殻載された記事「われわれの太陽は爆発に向か

半径は緩やかに変動し、星の進化が質量光度う」（[120]）に見られるので簡単にまとめて関係に違反しない範囲になる。また、カペラ

見よう。

は太陽より半径が 10 倍も大きいので熱源のまず、星の爆発にはどんなものがあるだろ

殻の半径も太陽より大きく全体的な熱量も大うか？ 歴史的に顕著な星爆発としてベツレきいであろう。従ってカペラが太陽より明るヘムの星、かに星雲、チコの超新星、そのほいことと矛盾しない。こうして星の内部のエかに毎年のように発見される新星がある。超天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

■ 連載

―20―

恒星天文学の源流【16】新星になるのは大質量の星であり、中小質量■14.3 普及活動の星は通常の新星になるのであろう。シリウ

ガモフはサイエンスライターとして多くのスは太陽よりずっと重い星なので、それが爆

人から愛されてきた。
「 不思議の国のトムキン

発するとベツレヘムの星と同じように輝くにス」（1940）、「原子探検のトムキンス」（1945）違いない。それに較べると太陽は普通の新星などのトムキンスシリーズをはじめとして物程度であろう。

理学、宇宙論を中心に一般読者向けに多数の

太 陽 の 爆 発と は ど の よ う な も の で あ ろ うか？

それには太陽の熱源を知る必要があるが、今日ではそれが熱核反応であることに疑普及書を著してきた。科学普及の功績によって 1956 年に UNESCO からカリンガ賞を贈られている。

いはない。それは星の中心部での高温高圧のトムキンスシリーズは銀行員のトムキンス

もとで元素を変換する錬金術なのである。温氏が大学の講演会に出席したものの難しい話

度 2000 万度という太陽中心では水素をヘリに眠くなり、うとうとしているうちに奇妙なウムに変えるという錬金術が働き、太陽を輝

夢を見るという筋立てである。夢は相対論世

かせるに十分なエネルギーを生み出す。太陽界のゆがんだ世界であったり、原子内部の輪の熱源として水素の重要性が認識されるよう

郭のはっきりしない世界であったり、さまざになったが、最初の頃は水素が消費されるとまである。愉快な挿絵も多いがそれらはガモ星は収縮して冷たくなっていくのではないか

フ本人によって描かれたものである。その 1と考えられていた。しかし、筆者（ガモフ）

つを紹介しよう。図 40 は、「原子探検のトム

は反対の道筋を指摘した。水素が減少するとキンス」でトムキンス氏が原子内部に忍び込

星は反って輝きを増し、最後には爆発してしんだときの挿絵である。また、1940 年に著さ

まうのである。太陽も同じ道を辿るが、太陽

れた「太陽の誕生と死」（[121]）は「われわはいまより 100 倍も明るくなってから爆発す

れの太陽は爆発に向かう」と同じ論旨であるる。

が、軽快な文章はいつまでも人をひきつける。

それでは太陽はいつ爆発するのであろうか。 ガモフの解説はいまではもう時代遅れになっ突然爆発して人類に襲い掛かる心配はないのているが邦訳書も多く、1950 年代に青春を送か。人類は「ダモクレスの剣」の喩えのようった筆者には懐かしい思い出が多い。

に、つるされた剣の下で絶えずおびえながら暮らさなければならないのであろうか。幸い、太陽の錬金術反応は大変バランスよくゆっく
り進むので、突然爆発することはない。しかも、爆発が起こるのは数 10 億年後であるから、心配は不要である。こうしてガモフは読者を安心させてくれるのである。
なお、ガモフは HR 図を従来のように分光型と絶対等級との関係ではなく、進化論の立場から横軸を有効温度、縦軸を光度の、それぞれ対数で表わすという手法を導入した最初

図 40

原子内部に紛れ込んだトムキンス氏（「原子探検のトムキンス）より」の人である[118]。
天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）星の進化論とＨＲ図表 その 5

文

―21―

[102] Maurizi, Stefania, 2002, Interview

献[92] Hans Bethe, コーネル大学ホームペー
ジ http://bethe.cornell.edu/about.html[93] Hans Bethe, Wikipedia http://
en.wikipedia.org/wiki/Hans_Bethewith Carl F. von Weizsäcker

（ドイツにおける原爆製造期におけるワイツゼッ
カーの心情を率直に訪ねたインタービュー）[94] Bethe, H. 1939, Physical Review, 55,(http://www.stefabuamaurizi.it/Intervi

434 – 456, Energy production in stars.

ste/en-carl_friedrich_von_weizsaecker,(星の内部におけるエネルギー生産)

html)[95] Srömgrem, B. 1937, Ergebn. d. Exakt.
Naturwiss. 16, 465[103] Neuneck, G. 2007, Physics Today,Death[96] Bethe, H. and Critchfield, C. 1938,
Phys. Rev, 54, 248 – 254, The formationof deutrons by proton combination.
[97] Bethe, H. 2003, Ann. Rev. of Astr.

noticefromtheGermanPugwach Group[104],Von

Weizsäcker,

C.

F.

1937,

Physikalische Zeitschrift, 38, 176 - 191,
ÜberElementumwandlungen

Astrophys, 41, 1 – 14, My life inInnernderastrophysics.

transformation inside stars. I. （恒星内[98] Bethe, H. The Road from Los Alamos(Masters of Modern Physics) （「ロスアStrerne.

I.

im(Element

部における元素変換）
[105]

Von

Weizsäcker,

C.

F.

1938,

ラモスからの道」）、（核兵器と軍縮論、平Physikalische Zeitschrift, 55, 633 - 646,

和論を主題としたエッセイ集、星のエネÜberElementumwandlungen

ルギー源、超新星爆発についてのエッセ

Innernderイも含む）

transformation inside stars. II.（恒星内[99] ブラッドベリー科学博物館, 「アメリカStrerne.

II

im(Element

部における元素変換）（R. H. Milburn にA

SourceBookin

西部を巡る旅」(web)より

よ る 英 訳 はhttp://www.countryhouse.co.jp/WildWe

Astronomy and Astrophysics, 1900 –st/west_trip/newmexico/losalamos/

1975, p. 309 – 339 にある。）[100] Jungk, Robert, 1958, Brighter than a

[106]

Von

Weizsäcker,

C.

F.

1943,

Thousand Suns – A personal history ofZeitschrift für Astrophysik, Vol. 22,

the atomic scientists (1956 年 、 原 題

p.319 – 355, Über die Entstehung desHeller als Tausend Sonnen)、邦訳ロベ

Planetensystems.

ルト・ユンク、菊盛英夫訳「千の太陽よ

Abbildungen.(惑星系形成論)

りも明るく╴原子科学者の運命」（文芸春

Mit

2[107] Von Weizsäcker, C. F. 1947, Zs.f. Phys.
124, 614, (Origin of solar system)

秋社、1958）[101] Von Weizsäcker, C. F. 1977, Der[108] Gamow, G. and Hynek, J. A. 1945,

Garten des Menschlichen – Beträge zur

ApJ, 101, 249, Recent progress ingeschichtlichen Anthropologie. 邦 訳

astrophysics,「人間的なるものの庭―歴史人間学論

C.F.Weizsacker of the origin of the集」,ワイツゼッカー著、山辺建訳, 2000

planetary system (ワイツゼッカーの惑

年刊（法政大学出版局）

星系形成論の英語による紹介)
天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）

A

newtheory

by

―22―

[109]

ter

Haar,

D.

■ 連載

恒星天文学の源流【16】1945,Leidensynthesis and stellar energy. （元素合Observatory, PhD Thesis, Studies on
the origin of the solar system. （カルマ■

成と星のエネルギー源）[118] Gamow, G. 1938, ApJ, 87, 206 – 208,

ンの乱流理論を取り入れた太陽系生成論、A

ワイツゼッカー理論の拡張）(ter Haar, D.

thermo-nuclear source（選択的熱殻エネ

1950, ApJ, 111, 179, Further studies on

ルギー源をもつ星のモデル）

the origin of the solar system 参照).
symposium,

Ed.

model

with

selective[119] Gamow, G. 1938, Physical Review, 53,[110] Kuiper, G. P. 1951, Astrophysics, A
topicalstar

595 -604, Nuclear energy sources andstellar evolution （核反応エネルギー源

Hynek,

McGraw-Hill, p.357 – 424, Origin of
the solar system.

と星の進化）[120]– 365, Our Sun is bound to explore （わ[111] Weizsäcker, C. F. 1991, Der Mensch in
Seiner Geschichte、邦訳「人間とは何か－過去・現在・未来の省察」ワイツゼッ

Gamow, G. 1941, Pop. Ast., 49, 360

れわれの太陽は爆発に向かっている）[121]

Gamow,G. 1940, The birth and

カー著、小杉、新垣訳 ,2007 年刊（ミネdeath of the Sun, The Viking Press,

ルヴァ書房）

N.Y.（邦訳：ガモフ著、白井俊明訳「太[112] George Gamow, コロラド大学ホーム

陽の誕生と死」、白楊社）

ページ http://www.colorado.edu/
physics/Web/Gamow/life.html）[113] Wikipedia、George Gamow(http://en.wikipedia.org/wiki/george_G
amow)[114] Gamow, G. 1928, Zs.f.Phys., 51, 204 –
212,

Zur

Quantentheoriedes

Atomkernes.( 原 子 核 の 量 子 理 論 ),( 波 動

小暮智一（元京都大学）

力学に基づいてα粒子放出の物理過程を考察した。)訂[115] Gamow, G. 1929, Zs.f.Phys., 52, 510 –
515,

Zur

Quantentheorieder正

1 月号 p12
誤：

図 10 のキャプション(RWTH= Rhineisch‑Westphälische

Atomzertrümerung. (原子崩壊の量子論

Technische Hochshule – Aachen)(出典 http:について).

//www.reth‑aachen.de/go/id/xql)[116] Atkinson, R. and Houtermans, F. G.

正：(RWTH= Rheinisch‑Westfälische

1929, Zs. f. Phys., 54, 656 -665, Zur

Technische Hochschule – Aachen)(出典 http:Frage//www.rwth‑aachen.de/go/id/xql)

derAufbaumöglichkeitderElemente in Sternen. （星の内部における元素合成の可能性について）

5 月号 p11

左欄上から 11 行目[117] Atkinson, R. 1931, ApJ, 73, 250 – 295誤：星の質量と温度との関係(I), ApJ, 73, 308 – 347 (II), Atomic

正：星の質量と半径との関係

天文教育 2011 年 7 月号（Vol.23 No.4）