高1 ／ 地学基礎 ／ eb-08
恒星と宇宙の構造
この単元でできるようになること
- 光年と宇宙の距離感（太陽〜地球 8 分、最も近い恒星 4.2 光年、銀河系の直径 10 万光年）を言える
- 恒星の色と表面温度の関係（青白いほど高温、赤いほど低温）とスペクトル型を説明できる
- HR 図（・赤色巨星・白色矮星）と恒星の一生を説明できる
- 銀河系（天の川銀河）の構造（円盤・バルジ・ハロー、太陽の位置）と銀河・銀河群・銀河団の階層を説明できる
- 宇宙の誕生（ビッグバン、約 138 億年前）と宇宙の膨張（ハッブルの法則）を説明できる
入試での位置づけ
「恒星の色 → 温度」「太陽の一生（主系列星 → 赤色巨星 → 白色矮星）」「銀河系の形と太陽の位置」「ビッグバン 138 億年前、太陽系 46 億年前」が定番。宇宙の階層（太陽系 ＜ 銀河系 ＜ 銀河群 ＜ 銀河団 ＜ 超銀河団）の大きさの順と、光年の計算も出ます。
1. 宇宙の距離の単位
まずここだけ
- 天文単位（au）：太陽〜地球 ＝ 1.5 億 km（太陽系の中）
- 光年：光が 1 年に進む距離 ＝ 約 9.5 兆 km（≒ 6.3 万 au）（恒星・銀河の距離）
光の速さ 30 万 km/s × 3.15 × 10⁷ s ≒ 9.5 × 10¹² km
- 目安：太陽 → 地球 8 分、太陽 → 海王星 約 4 時間、最も近い恒星（プロキシマ・ケンタウリ）4.2 光年、銀河系の直径 約 10 万光年、アンドロメダ銀河 約 250 万光年、観測できる宇宙 約 138 億光年（宇宙の年齢）
- 遠くを見る ＝ 昔の光を見る（100 光年先の星は 100 年前の姿）
2. 恒星の色・温度・明るさ
まずここだけ
- 恒星は自ら光る天体（太陽もその 1 つ）。惑星は反射して光る
- 色と表面温度：青白い（高温 1 万〜数万 K）→ 白 → 黄（太陽 5800 K）→ 橙 → 赤（低温 3000 K）。加熱した鉄と同じ（赤 → 白 → 青白）
- スペクトル型：高温から O・B・A・F・G・K・M（「オーバーファインガールキスミー」）。太陽は G 型
型 色 表面温度 例 O・B 青白 1 万〜3 万 K 以上 リゲル（B） A 白 約 1 万 K シリウス・ベガ F・G 黄白〜黄 6000〜7000 K 太陽（G） K 橙 4000〜5000 K アルクトゥルス M 赤 3000 K 程度 ベテルギウス・アンタレス - 等級：明るさ。数字が小さいほど明るい。1 等級差で約 2.5 倍、5 等級差で 100 倍。見かけの等級（地球から見た明るさ）と絶対等級（10 パーセク ＝ 32.6 光年に置いたときの明るさ ＝ 本当の明るさ）
- 遠いほど暗い：明るさは距離の 2 乗に反比例
3. HR 図と恒星の一生
ここまでできれば十分
HR 図（ヘルツシュプルング・ラッセル図）：横軸に表面温度（左が高温）、縦軸に絶対等級（明るさ）（上が明るい）をとって恒星を打点。
- 主系列星：左上から右下への帯。恒星の約 9 割。中心で水素の核融合をしている安定期。左上ほど質量が大きく高温・明るい・寿命が短い。太陽はこの帯の中ほど
- 赤色巨星：右上（低温だが明るい ＝ 巨大）。主系列を終えた星
- 白色矮星：左下（高温だが暗い ＝ 小さい）。燃え尽きた星の芯
恒星の一生：
- 星間ガス（星間雲）が重力で収縮 → 原始星（暗黒星雲・散光星雲がゆりかご。オリオン大星雲）
- 中心が 1000 万 K を超えて水素の核融合開始 → 主系列星（太陽は約 100 億年ここにいる。今 46 億年目）
- 中心の水素を使い果たす → 外層がふくらみ 赤色巨星（太陽は地球軌道近くまで）
- その後は質量で分かれる：
- 太陽程度：外層を放出（惑星状星雲）→ 芯が 白色矮星 → 冷えていく
- 太陽の 8 倍以上：超新星爆発（重い元素をまき散らす。鉄より重い元素はここで生成）→ 中性子星（さらに重いと ブラックホール）
- 質量が大きいほど燃料を激しく使い寿命が短い（太陽の 10 倍の質量なら数千万年）
- 私たちの体の炭素・酸素・鉄は、昔の恒星の内部と超新星でつくられた
4. 銀河系と宇宙の階層
まずここだけ
銀河系（天の川銀河）：太陽を含む約 2000 億個の恒星の集団。
- 形：円盤部（直径 約 10 万光年、厚さ 1.5 万光年、渦巻き腕）＋ 中心のバルジ（膨らみ）＋ 全体を包むハロー（球状星団が分布）
- 太陽は中心から約 2.8 万光年の円盤部にあり、約 2 億年で 1 周
- 天の川：円盤部を内側から見た姿（夏は中心方向（いて座）が見えるので濃い）
- 中心には巨大ブラックホール
階層（小 → 大）： 太陽系 → 銀河系 → 局部銀河群（銀河系・アンドロメダ銀河など数十個）→ 銀河団（数百〜数千個。おとめ座銀河団）→ 超銀河団 → 宇宙の大規模構造（銀河が泡のように分布。泡の膜に銀河、内側はボイド）
銀河の種類：渦巻銀河（銀河系・アンドロメダ）、棒渦巻銀河（銀河系もこれとされる）、楕円銀河、不規則銀河。
5. 宇宙の誕生と膨張
ここまでできれば十分
- ビッグバン：約 138 億年前、宇宙は超高温・高密度の状態から始まり膨張してきた
- 最初の 3 分で水素・ヘリウムの原子核ができる（それより重い元素は恒星がつくる）
- 約 38 万年後に温度が下がって原子ができ、光がまっすぐ進めるようになった（宇宙の晴れ上がり）。このときの光が宇宙背景放射（現在 約 3 K のマイクロ波）としてビッグバンの証拠に
- その後、恒星・銀河が誕生（数億年後）。太陽系は 46 億年前（宇宙の年齢の 1/3）
- ハッブルの法則（ハッブル・ルメートルの法則）：遠い銀河ほど速く遠ざかっている（後退速度 ∝ 距離）。光の赤方偏移から分かる。宇宙全体が膨張している証拠
- 宇宙の中身：普通の物質は 5% 程度、残りはダークマター（暗黒物質）とダークエネルギー（膨張を加速）
6. よくある間違い
- 赤い星を高温とする（赤は低温、青白が高温）
- 等級の数字が大きいほど明るいとする（小さいほど明るい）
- 太陽の最後を超新星爆発とする（太陽程度は白色矮星。8 倍以上が超新星）
- 質量の大きい星ほど長生きとする（短命）
- 光年を時間の単位とする（距離）
- 銀河系の中心に太陽があるとする（中心から 2.8 万光年）
- 宇宙の年齢（138 億年）と太陽系（46 億年）・地球の生命（40 億年）を混同
- 「ビッグバンの前」を語る（時間も空間もビッグバンから）
7. 自己チェック
- 光年の定義と、太陽 8 分・銀河系 10 万光年を言えるか
- 色 → 温度の順（青白 → 赤）とスペクトル型 OBAFGKM を言えるか
- HR 図の 3 つの領域を説明できるか
- 太陽の一生（原始星 → 主系列 → 赤色巨星 → 惑星状星雲 → 白色矮星）と重い星の最期を言えるか
- 銀河系の形・大きさ・太陽の位置を言えるか
- 宇宙の階層の順を言えるか
- ビッグバン 138 億年前、背景放射、ハッブルの法則を言えるか
8. 小テストへ
→ 小テスト（eb-08）
関連する単元
参考資料
- 文部科学省『高等学校学習指導要領（平成30年告示）解説 理科編 理数編』── 「地学基礎」(1) ア 宇宙における地球（宇宙の誕生・恒星・銀河）
- 国立天文台「宇宙の階層構造」（https://www.nao.ac.jp/astro/basic/）
受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.com/daigaku/science/eb-08/ ／ 更新 2026-09-12