宇宙で最も硬い物質は何ですか?ほとんどの人はおそらく、ダイヤモンド、チタン合金、または炭素処理された鋼のようなものを推測するでしょう.現代科学の最新の知識を持っている読者は、グラフェンを、サラン ラップの厚さのシートを破るのに象の体重がかかるほど頑丈な物質であると言うかもしれません。米国とカナダの研究機関の 3 人の研究者によって実施された新しい研究により、人類が知る最強の物質が特定された可能性があるため、これらの答えはすべて間違っている可能性があります。
研究者が実行したコンピュータ シミュレーションは、中性子星の地殻の下にある核物質で構成される弾性構造が、鋼、チタン、さらにはグラフェンよりもはるかに強力な、宇宙で最も頑丈な物質である可能性があることを示しています。
パスタのような形をしていることから「核パスタ」と呼ばれるこの物質は、人類が知る最も密度の高い天体である中性子星の地殻の下約 1 km に存在する可能性があります。研究者は、この核パスタを「液晶」と呼んでおり、潜在的なせん断弾性率強度は最大 10 J/cm です。この高いせん断弾性率は、これらの核パスタを曲げるために、一度 1000 兆 によって解放されるのと同等の機械力を適用する必要があることを意味します。 材料 1 立方センチメートルあたりの TNT トン (1,000,000,000,000,000 トン)。これらの構造は、中性子星の強い圧力と重力の下で、最も極端な環境でのみ存在できます。この研究は、これまでで最大の核パスタのコンピュータ シミュレーションであることでも注目に値します。
中性子星と核パスタ
星は年をとると爆発して超新星になり、再び崩壊します。いくつかの星は崩壊してブラックホールに落ちてしまうほど大きい星もあれば、小さすぎて崩壊してかすかな白色矮星になる星もあります。他のものはちょうどいいサイズなので、ブラック ホールや白色矮星に変わる代わりに、陽子と電子を放出して崩壊し、ほぼ完全に中性子で構成される非常に高密度になります。中性子星は非常に密度が高く、小さじ 1 杯の大きさのビットは、ギザの大ピラミッドの 900 倍の重さになります。中性子星の平均密度は約 3.7 ～ 5.9×10 kg/m です。中性子星は、クォーク グルーオン プラズマから作られた仮説上の星を除いて、知られている中で最も密度の高い星です。
中性子星の中の中性子は、通常の物質の原子核内の粒子と同じくらい互いに接近しています。表面では、中性子は比較的整然とした周期的な格子構造を形成する傾向があります。しかし、星の奥深くでは、圧力と重力が中性子をさらに近づけ、中性子の鎖を核パスタと呼ばれる複雑な形状に配列させます。これまでのコンピュータ シミュレーションでは、中性子星の地殻を多かれ少なかれ等方性の粒子格子としてモデル化していました。現在の研究は、これらの核パスタのダイナミクス、特にそれらがどのように表面下でシフトし、中性子星で高エネルギーの構造的挙動を生み出すかを理解する試みです。
研究者は、分子動力学のモデル化を目的とした強力なソフトウェアを使用して、核パスタをモデル化しました。シミュレートされた 2 つの核子間の挙動を制御する単純なルールを定義することにより、ソフトウェアは、同時に相互作用する何千もの粒子の挙動を推測してシミュレートすることができます。チームは、核パスタが力と動きにどのように反応するかのダイナミクスを図表化するために、さまざまな方向に向けられたパスタ形状で多くの状況を実行しました.たとえば、シミュレーションの最初の実行では、研究者は核パスタを「ラザニア」形状でモデル化しました。これは、クラストの下に伸び、互いの上に層を重ねる材料の平板です。この特定の実行では、核の「ラザニア」のシートに対する横方向、縦方向、および圧縮応力の影響をシミュレートして、材料がどのように再配置されるかを確認します。具体的には、研究者はラザニア シートが壊れて中性子星内部の応力が変化するポイントを探していました。
シミュレーションの 2 回目の実行では、六角形の穴を持つ平行プレートの格子である「ワッフル」形成のダイナミクスをモデル化しました。著者によると、このシミュレーションはこれまでで最大の核パスタでした。ワッフルの形状は、ラザニアの形状と比較して、材料の六角形の穴が材料が壊れずに変形するのに適した余地を与えたため、壊れることはほとんどありませんでした.
では、核パスタから何を作ればよいのでしょうか？ 1 つには、シミュレーションは理想化されているため、実際の核パスタは正確に動作しない可能性があります。 シミュレーションが予測するように。特に、彼らのシミュレーションでは、星の磁場に影響を与える可能性のある中性子の超流動や超伝導挙動による影響の可能性が除外されていました。また、核パスタの弾力性を表すことを意図した弾性定数は、計算によって達成されるのではなく、想定されていました.
ただし、この研究は、核パスタの地質学的特性に関する貴重な情報を提供します。具体的には、核パスタは非常に強いです。シミュレーションの不備により 10 J/cm というせん断弾性率の推定値が引き下げられたとしても、結果として得られる数値は、既知のどの材料よりも強力であり、人間が製造できたどの材料よりも信じられないほど強力です。地殻の下のパスタの形に加えて、研究者のモデルは、中性子星が地殻に埋もれた「山」を含むことも予測しています。中性子の山は、重力波の主要な発生源になる可能性があります。
ちなみに、この予測は科学の比較的新しい転換点を示しています。仮説を検証して予測を行うためのコンピュータ シミュレーションへの依存。コンピューターの台頭により、科学者は非常に複雑な現象の正確なシミュレーションを実行できるようになり、時にはそれらの現象について何か新しいことを発見する効果があります。この教訓は、強力な重力場が従来の観測方法を不可能にするブラック ホールの研究に適用されています。
