中性子星に物質を限界まで押し込めるとどうなるのか? NASAの調査を支援するため、我々は中性子星の質量を測定した
中性子星は宇宙で最も極端な天体の一つである。超巨星の崩壊した核から形成され、太陽よりも重いにもかかわらず、都市サイズの球体に圧縮されている。
これらの特異な星の高密度な核には、地球上で再現や研究が不可能な独特の状態に押し潰された物質が含まれている。そのため、NASAは中性子星を研究し、その内部の物質を支配する物理法則について学ぶミッションを行っている。
私の同僚と私はこのミッションを支援してきた。我々は高速で回転する中性子星からの電波信号を使用して、その質量を測定した。これにより、NASAのデータを扱う科学者たちがこの星の半径を測定することができ、結果として内部の奇妙な物質に関する、これまでで最も精密な情報を得ることができた。
中性子星の内部には何があるのか?
中性子星の中心核にある物質は、原子核よりもさらに高密度である。宇宙で最も密度の高い安定した物質形態として、限界まで押し潰され、ブラックホールへの崩壊寸前の状態にある。これらの条件下で物質がどのように振る舞うかを理解することは、我々の基礎物理学理論の重要な検証となる。
NASAの中性子星内部組成探査機（NICER）ミッションは、この極端な物質の謎を解明しようとしている。
NICERは国際宇宙ステーションに搭載されたX線望遠鏡である。これは中性子星の表面にある、温度が数百万度に達する可能性のあるホットスポットから放出されるX線を検出する。
科学者たちはこれらのX線のタイミングとエネルギーをモデル化して、ホットスポットをマッピングし、中性子星の質量と大きさを決定する。
中性子星の大きさと質量の関係を知ることで、その核心部の物質の「状態方程式」が明らかになる。これにより科学者は、中性子星がどれほど柔らかいか硬いか – どれほど「圧縮可能か」 – を知り、したがって何で構成されているかを知ることができる。
より柔らかい状態方程式は、核心部の中性子がより小さな粒子からなる特異な混合物に分解されていることを示唆するかもしれない。より硬い状態方程式は、中性子が抵抗し、より大きな中性子星につながる可能性がある。
状態方程式はまた、中性子星が衝突した際にどのように、そしていつ引き裂かれるかを決定する。
近隣の中性子星で謎を解く
NICERの主要な観測対象の一つは、PSR J0437-4715という中性子星で、これは最も近くて明るいミリ秒パルサーである。
パルサーは、中性子星が回転するたびにパルスとして観測される電波ビームを放出する中性子星である。
この特定のパルサーは1秒間に173回回転する（ブレンダーと同じくらい速い）。我々は、ニューサウスウェールズ州にあるCSIROのParkes電波望遠鏡Murriyang（マリヤン）を使用して、ほぼ30年間この天体を観測してきた。
NICERのデータを扱うチームは、このパルサーに関して課題に直面した。近くの銀河からのX線が、中性子星表面のホットスポットを正確にモデル化することを困難にしていたのである。
幸いなことに、我々は電波を使用してパルサーの質量を独立して測定することができた。この重要な情報がなければ、チームは正しい質量を求めることができなかっただろう。
中性子星の質量測定はすべてタイミングの問題
中性子星の質量を測定するために、我々はアインシュタインの一般相対性理論で説明される「シャピロ遅延」と呼ばれる効果に依存している。
パルサーのような質量が大きく密度の高い天体、そしてこの場合はパルサーの伴星である白色矮星は、空間と時間を歪める。パルサーとこの伴星は5.74日ごとに互いの周りを公転している。パルサーからのパルスが白色矮星の周りの圧縮された時空を通って我々に到達する際、それらは数マイクロ秒遅延する。
このようなマイクロ秒の遅延は、MurriyangでPSR J0437-4715のようなパルサーから容易に測定できる。このパルサーや他の同様のミリ秒パルサーは、Parkes Pulsar Timing Arrayプロジェクトによって定期的に観測されており、このプロジェクトはこれらのパルサーを使用して重力波を検出する。
PSR J0437-4715は比較的我々に近いため、地球が太陽の周りを公転するにつれて、その軌道は我々の視点からわずかにふらつくように見える。このふらつきにより、軌道の幾何学についてより詳細な情報が得られる。我々はこれをシャピロ遅延と併せて使用して、白色矮星伴星とパルサーの質量を求める。
PSR J0437-4715の質量と大きさ
我々はこのパルサーの質量が太陽の1.42倍で、中性子星として典型的であると計算した。これは重要である。なぜなら、このパルサーの大きさも典型的な中性子星の大きさであるはずだからだ。
NICERのデータを扱う科学者たちは、その後X線ホットスポットの幾何学を決定し、中性子星の半径が11.4キロメートルであることを計算することができた。これらの結果は、中間密度における中性子星の状態方程式に対して、これまでで最も精密な基準点を提供している。
我々の新しい見解は、すでに最も柔らかい、そして最も硬い中性子星の状態方程式を排除している。科学者たちは、これが中性子星の内核における特異な物質の存在に対して正確に何を意味するのかを解読し続けるだろう。理論によれば、この物質には通常のより大きな粒子内の住処から逃れたクォークや、ハイペロンとして知られる希少な粒子が含まれる可能性がある。
この新しいデータは、衝突する中性子星からの重力波の観測や、それに関連するキロノバと呼ばれる爆発の観測によっても情報を得ている、中性子星内部の新たなモデルに加わるものである。
Murriyang望遠鏡は長年にわたりNASAのミッションを支援してきた歴史があり、有名なところでは、アポロ11号の月面歩行の映像の大部分を受信する主要な受信機として使用された。今回、我々はこの象徴的な望遠鏡を使用して中性子星内部の物理学に「重みを加え」、宇宙に対する我々の基本的な理解を前進させた。
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