死んだ星の死体の中に謎が潜んでいます。特定の種類の星が超新星爆発で死ぬときに形成される中性子星は、宇宙で最も密度の高い物質です。ブラック ホールだけが密度が高いのですが、通常の物理学の限界を完全に超えているため、もはや問題ではありません。中性子星の原子は重力によって強く押しつぶされて崩壊し、その中の陽子と電子が衝突して中性子を生成し、天体は太陽よりも大きな質量を含む小さな都市のサイズになります。中性子星の質量の約 95% は純粋な中性子ですが、物理学者は、密度がピークに達する中心部で何が起こるのか疑問に思っています。中性子はそれを構成するクォークとグルオンにさらに分解されますか?クォークの中には、通常の「アップ」と「ダウン」のフレーバーから、通常の物質には見られない、より奇妙で重い「ストレンジ クォーク」に変化するものがありますか?粒子は超流動と呼ばれる物質の極端な状態を形成し、粘性がなく、減速することはありませんか?
科学者たちは、2 つの中性子星が衝突してブラック ホールになるときに生じる光と重力波を研究することで、これらの奇妙な天体の内部の仕組みを理解することに一歩近づきました。重力波は、大きな質量が動き回るときに切り開かれる時空のひだです。科学者が重力波を検出できるようになったのは 2015 年になってからで、これまでに中性子星が関与する事象はほんの一握りしか発見されていません (残りはブラック ホールの衝突です)。しかし、これらの波の特性 (周波数と時間の経過とともにどのように変化するか) を研究することで、科学者はそれらを作成したオブジェクトについて多くのことを知ることができます。物理学者は、中性子星の質量と半径の正確な測定を求めています。これは、中性子星の「状態方程式」、つまりこれらの星内の圧力と密度の関係を明らかにするのに役立ちます。中性子星の状態方程式を知ることは、その中にどのような物質が隠れているかを示します。
新しい研究では、研究者の国際チームが、2 つの中性子星衝突からの重力波測定値と、そのうちの 1 つ (もう 1 つは暗い) とともに到着した光信号を、観察からの中性子星の質量と半径の推定値と組み合わせました。パルサーと呼ばれる急速に回転する中性子星。 「大きな利点は、非常に首尾一貫した図であることです」と、ドイツのポツダム大学の研究メンバーであるティム ディートリッヒは言います。 . 「重力波や電磁波、単一中性子星からの情報、核物理学からの理論計算など、現在わかっているすべてのものを組み合わせます。」彼らが導出した状態方程式は、太陽の 1.4 個分の質量を含む中性子星の半径が約 11.75 キロメートル、±0.81 ～ 0.86 キロメートルであると予測しました。これは、マンハッタンの半分より少し長い長さです。 「中性子星のサイズはコア内の物質の挙動に直接依存するため、中性子星の物質の特性をよりよく理解することができます」とディートリッヒは言います。
たとえば、中性子がこれらの星のコアにそのまま残っている場合、それらは外側の層を押し出し、半径がわずかに大きくなる可能性があります.一方、中性子が分解してクォークのスープになると、コアはより押しつぶされ、星全体が少し沈み込み、結果として半径が小さくなります。
新しい測定値は、重力波データや中性子星のサイズを測定する他の方法を調べた以前の研究と概ね一致しています。 「この論文は、以前の研究を共同で再分析した優れたものであり、中性子星の半径は約 11 ～ 13 km であるという、ここ数年間の全体的な印象を変えるものではありません」と Mark Alford は言います。セントルイスのワシントン大学の物理学者。アムステルダム大学の天体物理学者であるアンナ・ワッツは、この種の複合分析は「明らかに前進する方法である」と述べていますが、「密度の高い物質の性質を実際に突き止めるにはまだ十分な測定結果はありません」と述べています。この分野は、中性子星の内部で何が起こっているかを本当に理解するために、将来のデータを待つ必要があります.
「これは非常に優れた分析だと思います」と、この研究には関与していないストーニーブルック大学の物理学者 James Lattimer は言います。彼は、異なる可能性のある状態方程式がデータにどの程度適合するかをモデル化する際に、大きな半径を持つ中性子星を生成する方程式を誤って削除しすぎた可能性があると警告しています。 「彼らは不確実性を過小評価していると思います。しかし、ある意味では、それは意見の問題であり、さまざまな統計手法をどれだけ信頼するかです。」
中性子星の秘密を明らかにするだけでなく、この研究では、宇宙の膨張率を反映するハッブル定数の測定も行いました。定数を導出するために、科学者は衝突の 1 つから来る重力波の振幅を使用して、衝突が発生した距離を推定しました。次に、距離測定値を、銀河の赤方偏移を調べることによって測定された、衝突のホスト銀河の既知の速度 (スペクトルの赤端に向かってどれだけスライドしたか) と比較しました。彼らが見つけたハッブル定数、66.2 キロメートル/秒/メガパーセクは、すでに存在する競合する測定値を決定するのに十分な精度ではありませんが、宇宙がどれくらいの速さで成長しているかという激しく争われている問題に別のデータポイントを追加します.
科学者たちは、同じタイプの分析を将来の中性子星の衝突に適用したいと考えています。 「私たちはこの第 1 歩を踏み出したので、これから前進していきます」とチーム メンバーであるパリ大学のサラ アンティエは言います。サラ アンティエは、重力波イベントに付随する光信号を検索する天文学者です。重力波検出器が新しい信号を見つけたとき、「私の仕事は、さまざまな観測所を接続してネットワークを提供し、すぐに観測を行うことです」.
物理学者は、米国のコズミック エクスプローラーやヨーロッパのアインシュタイン望遠鏡など、次世代の重力波検出器が 2030 年代に実用化されるまでの時間を懸命に待っています。これらのマシンは、はるかに感度が高く、より多くのイベントからより多くの信号をキャプチャし、より高精度のデータを提供できるようにする必要があります。強化された X 線タイミングおよび偏波観測ミッション (eXTP) やアテナ X 線天文台などの将来のプロジェクトでも、パルサーのより正確な測定値を収集する必要があります。
重力波のデータが利用可能になって以来、科学者たちは短期間で多くのことを学んできました。将来は、激しい圧力の下で極端な物質に関する私たちの知識を大幅に拡大することが約束されています. 「過去 4 年間は驚くべきものでした」と Lattimer 氏は言います。 「それは、私たちが将来獲得しようとしている可能性を示しています。重力波イベントからさらに多くの測定値を取得する必要があり、新しいイベントを追加するたびに結果が収束します。」
