はるか昔、西暦 132 年に帝国の天文学者張恒が地震探知機を設計しました。 後漢王朝の歴史 彼の独創的な発明は、中国の皇帝に、帝国の僻地での壊滅的な地震イベントを警告するだろうと報告している.
Zhang Heng の感震器は、直径 2 メートルのブロンズ製の容器で、周囲に 8 つのドラゴンの頭が取り付けられていると説明されています。再構成を以下に示します。各ドラゴンは歯に小さな金属球を挟み、青銅のヒキガエルの開いた口は下に大きく開いています。遠方の地震によるかすかな震えが船内のロッドのバランスを崩し、レバーを引いて地震の方を向いているドラゴンの口を開きます。ボールが放たれ、ヒキガエルの待っている口にカチャカチャと音を立てて落ちます。
地震から宇宙地震まで
ほぼ 2000 年後、重力波観測所は現在、宇宙の遠く離れた領域で宇宙地震を定期的に検出しています。 2017 年 8 月、米国の 2 つの LIGO 検出器に、イタリアのピサ近くに新しくアップグレードされた VIRGO 検出器が加わりました。かすかな宇宙の振動が各検出器に到着する時間を一瞬の精度で決定することにより、重力波紋の発生源の方向を正確に把握することができます。これは、天文学者が重力波を発生させた壊滅的な爆発の目に見える兆候を探すことを可能にするため、貴重な情報です。
8 月 17 日に、3 つの機器は、LIGO によって検出された以前の 4 つのイベントとはまったく異なる、紛れもない信号を捉えました。 GW170817としてカタログ化されました。わずか 1.7 秒後、NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、空の同じ領域から発せられる短いガンマ線バーストを検出し、ガンマ線を生成したイベントの輝く燃えさしを見つけるために世界中の望遠鏡が整列されました。 12 時間以内に、ガンマ線バーストの発生源が突き止められました。
これは、重力波信号の光学的対応物の最初の発見であり、天文学の歴史の中で最も観測されたイベントの 1 つになりました。重力波と短いガンマ線バーストは、NGC 4993 として知られる銀河で 1 億 3800 万光年離れたキロノバによって生成されました。
キロノバは、新星と超新星の中間にある新しい種類の恒星爆発を形成します。新星よりも約1000倍明るく、これがその名前の理由です。それでも、超新星の1000分の1から100分の1の明るさにすぎません。キロノバは、中性子星のペアが衝突して合体するときに発生する壮観な爆発であることがわかっています。
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中性子星衝突
中性子星は巨大な原子核のようなもので、星の質量全体が原子核の密度まで圧縮されています。それらは、宇宙で最も奇妙な物体の 1 つです。通常、太陽の 1.5 倍の質量が、直径わずか 20 ～ 30 キロメートルの球体に詰め込まれています。宇宙の基準では小さいが、信じられないほど密度が高く、小さじ 1 杯の中性子星の質量は 10 億トンをはるかに超えます。それをお茶に混ぜてみてください!
GW170817 イベントを引き起こした衝突の中性子星は、前の章で調べたハルス・テイラー連星系と同様の歴史を持っていたと推定されます。何百万年もの間、重力波の放出によりエネルギーを失ったため、それらは徐々に渦巻いて一緒になったでしょう.これらの波の振幅は小さすぎて検出できず、致命的な遭遇の 100 秒前にほぼ接触距離内に到達しました。
中性子星は、主に中性子からなるエキゾチックな形の物質で構成されています。そのような物質は、中性子星の極度の重力による絞め殺しの中にしか存在しません。衝突で自由に粉砕された破片は非常に不安定であり、劇的で暴力的な結果を伴う即時の放射性崩壊を起こします.中性子は、電子とニュートリノを放出して陽子に変化します。中性子が豊富な重い原子核が形成され、ガンマ線の炎の中でより安定した軽い原子核に急速に崩壊します。
これが、フェルミ衛星によって検出された短いガンマ線バーストの起源です。合体で放出された物質の進行中の放射性崩壊は、目に見えるキロノバの残光を生み出します。 GW170817 イベントで合体した中性子星は、究極の崩壊を経てブラック ホールを形成したと考えられています。
ヘヴィメタルの誕生
中性子星の衝突は、宇宙の謎の 1 つに答えるかもしれません。プラチナや金などの重い原子はどのように作られましたか?大質量星は、一連の核融合プロセスを通じてエネルギーを生成し、最終的に星のコアを鉄とニッケルに変換します。最終的に、核融合反応によってそれ以上のエネルギーを生成できなくなり、コアが崩壊し、超新星として星の爆発が引き起こされます。爆発中の鉄とニッケルのコアは、高エネルギーの陽子と中性子の膨大なフラックスに浸されており、これがウランとプルトニウムに至るまでのより重い原子核の起源を説明すると長い間考えられていました。しかし、最近のコンピューターシミュレーションは、元素合成に必要な極端な条件が、周期表の銀とその隣人を超えた元素の作成には十分長く続かない可能性があることを示唆しています.これは私たちに難問を突き付けます:本当に重い元素はどこから来るのでしょうか?
David Eichler、Mario Livio、Tsvi Piran、David Schramms は 1989 年に、中性子星の衝突が重元素合成の代替プロセスを提供する可能性があることを示唆しました。このような出来事は、銀河で発見された金、ウラン、その他の元素の量を説明するにはあまりにもまれであると想定されていたため、当時はほとんど支持を集めませんでした.
星間ゴールドラッシュ
GW170817 信号を生成したものなどの中性子星合体のコンピューター モデルは、これらのイベントで地球の質量の約 20,000 倍が放出される可能性があることを示しています。この物質は光速の約 5 分の 1 の速さで吹き飛ばされ、銀河全体に広く拡散します。それは約10ppmの金核を含む重元素の形になるため、キロノバで生成される金粉の総量は地球の質量の約5分の1になります。最近のキロノバの観測は、コンピューター モデルが正しいことを示唆しています。
しかし、これらのイベントは、観測された重元素の量を説明するのに十分な頻度ですか?
ネットを引き締める
大きな問題は、異常なイベント (超新星) で重元素が比較的少量生成されるのか、非常にまれなイベント (中性子星衝突) で非常に大量に生成されるのかということです。
後者の可能性を支持するのは、最近発見された、Reticulum II として知られる矮小銀河です。 2015 年に発見されたこの銀河は、わずか 97,000 光年離れた、天の川銀河と密接な伴侶である、あいまいな南方星座の網状星座またはリトル ネットに位置しています。ほとんどの矮小銀河には、重元素はほとんど含まれていません。対照的に、レティクルム II の星と星間ガスにはかなりの量の重元素が存在します。
超新星爆発は異常な出来事です。天の川銀河では約 30 年ごとに発生すると推定されていますが、そのほとんどは星間塵の雲によって隠されています。最も微弱な矮小銀河でも、少なくとも 10 万年に 1 回は超新星が発生すると予想されるため、重元素が超新星で生成された場合、宇宙の 138 億年の歴史の中で、重元素はかなりのレベルまで蓄積されます。 .しかし、中性子星の衝突は非常にまれである可能性があるため、ほとんどの矮小銀河はそのようなイベントを主催したことがなく、これはほとんどの矮小銀河が重元素を含まない理由を説明することができます.
矮小網状銀河 II は、単に中性子星衝突宝くじの勝者であるかのように見えます。そこに含まれるすべての重元素は、おそらく単一のそのようなイベントで生成されました.これは、遠い昔、私たちの環境の重元素のほとんどもこの方法で生成されたという重要な状況証拠を提供します.
チャート (上) は、現代の天体物理学による周期表の各元素の起源を示しています。 (チャートは、特定の原子核が形成される最終プロセスのみを示しています。ほとんどの原子核は、おそらく非常に異なる一連のプロセスに従って作成されます。たとえば、ホウ素原子核は、宇宙線が炭素原子核に衝突して陽子を追い出すときに作成されますが、炭素原子核は原子核は、星または超新星爆発で作成されたはずです。)
あなたの金の指輪
水素原子を除いて、あなたの体のすべての原子が星の中で作られたに違いないということは驚くべき事実です.あなたの指の金の指輪の原子が中性子星の衝突で作られたということは、おそらくさらに信じられないことです.そして、長いガンマ線バーストはどうですか？それは次の章のトピックです。
これは、The Cosmic Mystery Tour からの抜粋を編集したものです。 Nicholas Mee 作、2019 年 1 月 31 日発売 (£16.99、OUP)
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