ジーンズ不安定性

ジーンズ不安定性とは、広大な宇宙空間に漂うガスや塵の集まり、すなわち星間ガス雲が、その自身の重力によって収縮を始め、最終的に新たな星が誕生する過程の根源となる物理現象を指します。この現象は、ガス雲の内部で働く、ガス圧による外向きの力（膨張しようとする力）が、自己の重力による内向きの力（収縮させようとする力）に対抗しきれなくなり、重力が優勢になった場合に発生します。

ガス雲が時間的に変化せず安定した状態を保つためには、内部のどの位置においても重力と圧力の釣り合いが成り立っている必要があります。この状態を流体静力学的な平衡と呼びます。しかし、実際にはガス雲の内部には様々な密度や圧力の揺らぎ（摂動）が存在します。安定な平衡状態であれば、このような小さな揺らぎが生じても自然に打ち消されて元の状態に戻ります。しかし、もし平衡状態が不安定であれば、小さな揺らぎが増幅され、ガス雲全体が平衡を維持できなくなり、収縮へと向かうことになるのです。

一般的に、ガス雲が不安定化する条件としては、その温度に対して質量が大きすぎる場合や、あるいは質量に対して温度が低すぎる場合が挙げられます。温度が低いほどガスの圧力は弱まり、また密度が高く質量が大きいほど重力は強くなります。そのため、これらの条件下では、圧力の抵抗が重力の引き締めに勝てなくなり、ガス雲は不安定になって収縮を開始します。

この星間ガス雲の自己重力による収縮過程を理論的に深く研究し、その不安定性の条件を明らかにしたのが、20世紀初頭のイギリスの物理学者ジェームズ・ジーンズです。彼が導き出した、ガス雲が自身の重力によって収縮を開始するための最小限の質量は、後に彼の業績を称えて「ジーンズ質量」と名付けられました。

ジーンズの理論的な洞察によれば、ガス雲は、ある特定の密度や温度において計算される「ジーンズ質量」という臨界値よりも質量が小さければ、比較的安定した状態を保つことができます。しかし、ガス雲の質量がこの臨界値を超えると、たとえ外部から特に力が加わらなくても、自身の重力によって自発的に収縮が始まります。ジーンズは、ガス雲の物理的な特性（密度や温度など）からこの臨界質量を算定する理論式を構築しました。この式は、ガス雲の質量が大きくなるほど、またはそのサイズが小さくなるほど、そして温度が低くなるほど、重力収縮による不安定性が高まることを示しています。

ジーンズ質量や、関連するジーンズ長（重力不安定性が支配的になる最小の空間スケール）の概念は、ガス雲内部で情報や力が伝わる時間スケールと、重力が収縮を引き起こす時間スケールを比較することで直感的に理解できます。ガス雲のどこかで密度が増加するような摂動が起きると、その領域の圧力も上昇します。この圧力の上昇による影響（膨張させようとする力）がガス雲の他の部分に伝わる速度は、ガス中の音速によって決まります。この伝播にかかる時間スケールを「音波伝播時間」と呼びます。一方、密度が高まった領域は、自身の増加した重力によってさらに収縮しようとします。この重力による収縮が進む速さはガス雲の密度に依存し、この時間スケールを「自由落下時間」と呼びます。

ガス雲が重力収縮を続ける、すなわち不安定である条件は、重力によって収縮が進む速度が、内部の圧力が変化を伝え、収縮に抵抗しようとする速度よりも速い場合に相当します。これは、自由落下時間が音波伝播時間よりも短い場合 (`t_ff < t_sound`) に実現されます。この条件が満たされるとき、圧力の抵抗が間に合わず、重力による収縮が加速されてしまうのです。

この不安定条件から、ジーンズ長やジーンズ質量の近似式が導出されます。ジーンズ長は、この長さよりも大きなスケール構造は自己重力で収縮するのに対し、小さなスケール構造は圧力によって安定に保たれる境界を示します。ジーンズ質量は、ジーンズ長程度のスケールに含まれる質量であり、重力収縮を開始するための臨界質量です。これらの式は、ガス雲の温度が高く音速が速いほど、または密度が低いほど、ジーンズ長やジーンズ質量が大きくなる、すなわち不安定化するためにはより大きな質量やサイズが必要となることを示しています。

ただし、ジーンズが最初に用いたモデルには、収縮する領域が無限に広がる静止した媒質に囲まれているという単純化された仮定が含まれていました。しかし、実際にはジーンズ長よりも大きなスケール全体が重力不安定であり、収縮が始まると、注目している領域だけでなくその周囲の物質も同時に収縮していきます。後年の研究により、このような収縮する背景の影響を考慮に入れると、不安定性の成長率はジーンズが当初予測したものより緩やかになることが示されました。

現代天体物理学において、ジーンズ不安定性は、特に分子雲のような低温高密度の星間ガス雲内で星がどのように形成されるかを理解するための、最も基本的かつ重要な理論的枠組みの一つとして広く受け入れられています。

もう一度検索