巨星とは？定義・光度と半径の特徴｜赤色巨星・超巨星・亜巨星

巨星とは？定義・光度・半径の違いを図解で解説。赤色巨星・超巨星・亜巨星の特徴や進化をわかりやすく紹介。

巨星とは、同じ表面温度の主系列星に比べて、半径も光度もはるかに大きい星のことである。

巨星は、直径が太陽の数十倍から数百倍、あるいはもっと大きくなり得る。一般に明るさは太陽の十倍から数千倍、超巨星ではさらに明るくなることがある。主系列星に比べて燃料消費が激しく、恒星の進化段階によっては寿命は短くなる。

高温で高い光度を持つ主系列星の一部が便宜的に「巨星」と呼ばれることもあるが、天文ではスペクトル上の明るさ分類（いわゆる光度階級）に基づいて、より厳密に区別することが多い。

巨星にはさまざまな種類があり、識別のために細分化される。代表的には亜巨星、巨星（通常は光度階級III）、明るい巨星（II）、赤色巨星、黄色巨星、青色巨星、そして超巨星（I）などがある。

定義・分類（光度階級）

観測的には、恒星はスペクトルの特徴（吸収線の幅や強さ）から光度階級に分類されることが多いです。主な階級は次の通りです。

• V（主系列）：核で水素を燃焼する段階。表面重力が高い。
• IV（亜巨星）：主系列を離れ始めた段階で、半径・光度がやや大きくなる。
• III（巨星）：明らかに膨張し表面重力が低くなった段階。光度が大きい。
• II（明るい巨星）：巨星よりさらに明るい中間的な階級。
• I（超巨星）：非常に大きく非常に明るい階級。大質量星の進化末期に多い。

光度と半径の特徴（基本原理）

恒星の光度L、半径R、表面温度Tはステファン＝ボルツマン則で関係付けられます：

L = 4πR²σT⁴（σはステファン＝ボルツマン定数）

この式から、同じ表面温度の星で光度が大きい場合は半径が大きくなることが分かります。たとえば、同じ温度なら光度が100倍の星は半径が約10倍になります（R ∝ √L / T² の関係より）。

典型的な値の目安：

• 亜巨星（IV）：半径は主系列星より数倍〜十数倍、光度は数倍〜十数倍。
• 巨星（III）：半径は数十倍、光度は数十倍〜数千倍（スペクトルタイプや進化段階による）。
• 超巨星（I）：半径が数百〜数千倍、光度は10⁴〜10⁶倍にも達することがある。

進化と内部構造（概説）

巨星は多くの場合、主系列段階で中心核の水素を使い果たした後に生じる段階です。質量によって進化経路が異なります。

• 低・中質量星（～8太陽質量未満）：水素核燃焼が終了すると外層が膨張し、赤色巨星枝（RGB）やのちに上部巨星分枝（AGB）へと進む。大量の質量放出やパルス（ミラ型変光）を起こし、最終的に白色矮星を残して惑星状星雲を形成する。
• 高質量星（約8太陽質量以上）：進化が速く、巨星あるいは超巨星として膨張しながら中心で重元素の核融合を進め、最後は核崩壊で超新星爆発を起こして中性子星やブラックホールを残すことが多い。

観測上の特徴と現れる現象

• スペクトル上では表面重力が小さいために吸収線が細くなる傾向があり、これが光度階級判定に使われる。
• 多くの巨星・超巨星は大気の不安定さや脈動による変光（例：ケプラー帯のセファイド、ミラ型など）を示す。
• 強い恒星風や大量の質量放出が見られ、周囲にガスやダストの殻を作ることがある。

代表的な例（名前での理解）

• アルクトゥルス（Arcturus）などは赤色巨星の代表的な例で、見かけ上明るく大きく見える。
• ベテルギウス（Betelgeuse）は赤色超巨星の有名な例で、半径は太陽の数百〜千倍級、光度も非常に大きい。
• リゲル（Rigel）、デネブ（Deneb）などは青白い超巨星の例で、高温・高光度を示す。

まとめ

巨星は主系列星よりも半径・光度が大きくなる進化段階の恒星を総称する用語で、観測的には光度階級（IV, III, II, Iなど）で細かく分類される。光度は表面温度と半径によって決まり、進化の過程で巨視的な膨張・質量放出・変光などの特徴を示す。低質量と高質量で最終的な運命（白色矮星・超新星など）が異なる点も重要である。

質問と回答

Q: 巨星とは何ですか?

Q: 巨星は、太陽と比べてどのくらい大きいのですか?

Q:巨星は、太陽に比べてどのくらい明るいのですか?

Q: 巨星は主系列星より長生きするのですか?

Q:超巨大星と超巨大星って何?

Q: 高温・高輝度の主系列星は巨星と呼ばれるのでしょうか?

Q: 巨星にはどのような分類がありますか?

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