摩擦なしで流れる中性子の高温流体、陽子でできた超伝導体、エキゾチックな原子でできた固体の地殻など、これらの特徴により、中性子星はこれまで宇宙で見つかった中で最も奇妙な天体の 1 つになっています。それらは、星のすべての質量を都市の大きさの球体に詰め込み、地球には存在しない物質の状態をもたらします.
それでもなお、中性子星は非常に奇妙であるにもかかわらず、あたかもファンハウスの鏡を通して暗く見えるかのように、漠然と見慣れた特徴の寄せ集めを含んでいます。最も奇妙なことの 1 つは、中性子星の奥深くで、(核) パスタでいっぱいのメニュー全体を見つけることができるという事実です。
パスタは陽子と中性子でできており、極度の圧力によって結合されています。これらの奇妙な核は、インディアナ大学のマット・キャプランと彼の同僚が「核パスタ」と呼ぶ奇妙な構成に自らを配置します。パスタ層は、中性子星の外側の地殻とコアの間の移行ゾーンである内側の地殻にあります。この層の上部では、核が「ニョッキ」と呼ばれる塊を形成します。深くなると、それらは「スパゲッティ」と呼ばれる円筒形に結合します。さらに圧力をかけると、スパゲッティは圧縮されて「ラザニア」、つまり核物質の平らなシートになります。次に、パスタは「アンチパスタ」に移行します。ラザニアのシートは、中性子が漏れ始める円筒形のくぼみを形成します。カプランはこれを「アンチスパゲッティ」と呼んでいます。そして最後に、圧力が十分に高くなると、これらのくぼみが壊れて小さな泡になります。これが「反ニョッキ」段階です。
はい、これらはすべて Caplan と彼のチームが発行した論文で使用されている用語です。ある論文では、穴の開いたラザニアのような「核のワッフル」についても言及しています。
さらに奇妙なのは、核パスタが特定の生体分子によって形成された構造に似ていることです。これらの分子は脂質ポリマーであり、脂肪に含まれています。それらは互いに挟まれた水を好む層と撥水性の層でできているため、水環境との相互作用により、複雑な（真核細胞）細胞に見られる小胞体として知られるスパゲッティおよびラザニアのような構造に自己集合します.
システムはほとんどの点でこれ以上異なるようには見えませんが、類似性は驚くべきものです。核パスタは、細胞の内部よりも約 100 兆倍密度が高く、つまり 10、つまり 1 の後に 14 個のゼロが続きます。中性子星の力は強い電磁力と核力です。細胞は、より弱い分子電気力と水の微視的特性によって支配されています。ビルディング ブロックも異なります。核パスタの原材料は陽子と中性子ですが、小胞体は分子の長い鎖がつながってできています。
カプランは、「共通しているのは、表面エネルギーを最小限に抑えたいということです」と述べています。国際宇宙ステーションに乗っているシャボン玉や水しぶきを考えてみてください。それらはほぼ球形を形成します。これは、表面力が分子を引き寄せて球体にし、表面でのエネルギー量が最も少ないためです。核パスタと小胞体を作る力は、ラザニア層と周囲の物質との間の競合する引力と反発相互作用のおかげで、それほど対称的ではありません.ただし、物理法則はまだ機能しており、関連するエネルギーを最小限に抑えたいと考えています。その結果、中性子星の地殻または細胞の水っぽい内部に、塊と折り畳まれたシートと空洞ができます。力と密度はこれ以上ないほど違いますが、出現する形状は驚くほど似ています.
もう 1 つの不気味な類似点は、科学者がそもそも核パスタにそれほど関心を持っている理由を説明しています。パスタ層は、中性子星の硬い外側の地殻と超流動的な内部の間に挟まれています。反ニョッキ層の下では、ほぼすべての陽子が電子と結合して中性子を生成します。これは、内部地殻が終了する境界を示します。その下には中性子星の核があり、中性子超流動体であり、抵抗なく流れる液体です。 (研究者は内核もあると考えていますが、それがどのように機能するかについては議論の余地があります。)自由に流れる中性子流体と硬い鉄の外殻の間に位置する核パスタは、非常に異なるゾーン間のインターフェースです.
これは、流動する溶融外核と固体地殻の間にある、地球上のプラスチックのようなマントルのようなものです。地球のマントルは地震を理解するための鍵であり、中性子星のパスタ層は、宇宙で最も劇的な応力解放の 1 つであるスタークエイクを説明するために不可欠です。
アムステルダム大学の中性子星天文学者であるアンナ・ワッツは、「マグニチュードが非常に大きい地震が発生した場合、地震学者は地殻の最初の破壊と地球内部で跳ね返る地震波の両方を検出します」と述べています。同様に、「スタークエイクは非常に興味深いものになります。なぜなら、スタークエイクは、[中性子] スターの応答を見ることで、効果的に中性子星の内部を覗き込むことができるからです。」地震によって研究者が地球のコアの存在と性質を発見したように、スタークエイクは中性子星の内部全体を振動させます。クラストで起こることはそこにとどまりません.固体結晶の粉砕は、パスタ層を介してコアに振動を伝達し、次にクラストの動作にフィードバックすることができます.しかし、私たちが間接的に観察しているのは、地殻が壊れて再形成される方法です。 「中性子星を見ると、見えるのは地殻です」とカプランは言います。 「地殻を理解する必要があります。そうでなければ何も理解できません。」
実際、地球から最もよく見えるのは、中性子星が星震を受けているときです。中性子星は小さすぎて直接見ることはできませんが、マグネターとして知られているほど強い磁場を持つものもいくつかあります。これらはおそらく最も若い中性子星の 1 つであり、それらの強力な磁場は、太陽嵐の間に太陽から見られるものと同様の宇宙天気を生み出しますが、11 まで上昇しています。再結合します」とパチンとはまり、膨大な量のエネルギーを放出します。その結果、マグネターの地殻が破壊され、巨大なスタークエイクが発生し、ガンマ線が爆発します。
「ガンマ線の非常に明るい最初の閃光は、それを見ている衛星をすぐに焼き尽くす傾向があります」とワッツは言います。人工衛星にとっては幸いなことですが、科学者にとっては残念なことに、このようなガンマ線フレアはまれです。私たちがそれらを見るための機器を持って以来、3 回しか発生していません.
しかし、それは私たちが地球から見ているものです。中性子星からのガンマ線やその他の光です。観測、理論、コンピューター シミュレーションの魔法の組み合わせを使用して、バーストを星震までさかのぼって追跡することができます。また、破砕された地殻と流体コアの間のパスタ層も追跡できます。
核パスタを理解することは、地殻を破壊する星震の間に何が起こっているかを理解するのに役立つだけでなく、中性子星コアの神秘的なダイナミクスのいくつかを明らかにするのに役立ちます.中性子星のコアは驚異的なダイナモであり、私たちが知っている中で最も強力な磁場を生成します。これらの磁場は、電荷の移動によって作られるに違いありませんが、ダイナモの正確な性質は不明です。これは、中性子星のコアに関するほぼすべてのものが、地球での実験にアクセスできないためです。研究者は、中心物質の圧力をその密度と温度に関連付ける明確な理論的図も持っていません。これにより、中性子星のサイズなど、あらゆる種類の有用なものを説明できます。中性子星全体を理解するには、核の奥深くで物質がかき回されていることが不可欠であり、パスタ層はその未知の性質と観測可能な性質との間のつながりです。
中性子星は、非常に異なるスケールと物質にわたって形状が類似しているという性質の最初の例ではありません。ソリトンと呼ばれる異常に持続的な波は、超電導線や海を横切って見られます。衝撃波の前線は、光年にわたる銀河の広がりや水の小さな泡で発生し、渦は竜巻から磁場まですべてを特徴付けます。永続的な形式のアイデアは、少なくともプラトンのティマイオスにまでさかのぼります。 対話では、デミウルゴス、または神の職人が、永遠で不変のモデルから物質世界に形を刻印します。哲学者と科学者は、中性子星の奇妙なエコーが一般的であるだけでなく、期待されている世界を発見しました.
マシュー R. フランシスは、物理学者、サイエンス ライター、講演者、教育者です。
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参考文献
1. Caplan, M.E., Schneider, A.S., Horowitz, C.J., &Berry, D.K.パスタの元素合成:核統計平衡の分子動力学シミュレーション。 フィジカルレビューC 91 、065802 (2015).
2. Schneider, A.S., Berry, D.K., Briggs, C.M., Caplan, M.E., &Horowitz, C.J. Nuclear 「ワッフル」。 フィジカル レビュー C 90 、055805 (2014).
3. Lander, S.K.、Andersson, N.、Antonopoulou, D.、および Watts, A.L. 中性子星における磁気駆動の地殻地震。 王立天文学会の月例通知 449 、2047-2058 (2015)。
* 画像は Schneider, A.S.、Horowitz, C.J.、Hughto, J.、および Berry, D.K. の許可を得て転載しています。核の「パスタ」形成。 フィジカル レビュー C 88 、065807（2013）。 Copyright 2015 by the American Physical Society.
