林の限界線

林の限界線

林の限界線（はやしのげんかいせん、Hayashi limit）は、恒星がその質量に対して持ちうる半径の上限を理論的に示す概念です。この重要な制約は、日本の著名な天文学者である林忠四郎博士によって提唱され、その功績を称えて名付けられました。

物理的な意味合い

恒星は自身の重力によって内側へ収縮しようとする力と、中心部での核融合反応や対流によって生じる内側から外側への圧力（主にガス圧と放射圧）が釣り合った状態、すなわち「静水圧平衡」を保つことで安定な構造を維持しています。林の限界線は、この静水圧平衡が維持できる最大の半径を規定するものです。つまり、質量が定まった恒星は、この限界線が示す半径よりも大きなサイズで安定して存在することはできません。

ヘルツシュプルング・ラッセル図上の特徴

恒星の光度と表面温度（あるいはスペクトル型）の関係を示すヘルツシュプルング・ラッセル図（HR図）上では、林の限界線は特徴的な振る舞いをします。特に、比較的温度の低い約3,500ケルビン程度の領域で、ほぼ垂直な直線として現れます。

「忘れられた領域」との関連

低温の恒星は、内部のエネルギー輸送が主に物質の対流によって行われる「完全対流平衡」の状態にあると見なせます。完全対流平衡に基づいた恒星構造モデルで計算を行うと、HR図上で林の限界線よりも右側、すなわち同じ光度でもさらに表面温度が低く（半径が大きいことを意味する）、完全な対流平衡にある安定な恒星の解が存在しないことがわかります。この領域はかつて「忘れられた領域」と呼ばれ、恒星が安定して位置できない領域として認識されています。

恒星は進化の過程で様々な状態をたどりますが、静水圧平衡を保つ限り、基本的にこの林の限界線よりも右側に位置することはありません。そのため、恒星は収縮する際などに、この線の左側、あるいは線に沿うようにして進化していくことになります。

恒星進化における役割

林の限界線は、恒星の進化経路、特に前主系列星段階（原始星が主系列星になるまでの収縮段階）において重要な役割を果たします。原始星は周囲のガスや塵を集めながら重力収縮し、温度と密度を上げていきますが、その収縮経路の一部は林の限界線に沿って進みます。この経路は「林トラック」として知られています。

また、主系列を離れた恒星が赤色巨星へと進化する際にも、外層が大きく膨張して低温・高光度になりますが、この膨張も林の限界線によって定められる最大半径の範囲内に留まります。HR図上では右上方向へ移動しますが、恒星が安定していられる限界は林の限界線によって規定されます。

例外的なケース

ただし、林の限界線にも例外的な状況が存在します。例えば、まだ静水圧平衡に達していない、急速に崩壊しつつある原始星の非常に初期段階や、極めて強い恒星磁場が存在し、それが内部のエネルギー輸送（対流など）を著しく阻害しているような特殊なケースでは、理論上この線の右側に位置する星が存在する可能性も考えられています。

関連概念

恒星の構造や進化を論じる際には、林の限界線と関連性の高い概念がいくつかあります。例えば、前述の原始星の進化経路である「林トラック」や、恒星からの光（放射圧）が重力に打ち勝つ上限光度を示す「エディントン限界」などがあり、これらは互いに補完し合いながら恒星の物理状態を理解する上で不可欠な概念となっています。

林の限界線は、恒星がどのような状態で安定に存在できるか、そしてどのように進化していくかを考える上で、基礎となる重要な制約の一つと言えるでしょう。

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