中性子星物理学の黄金時代が到来しました

巨大な星が超新星で死ぬとき、爆発は終わりの始まりに過ぎません。 星の物質のほとんどは遠くに投げられますが、星の鉄で満たされた心臓は後ろに残っています。 このコアは、二つの太陽と同じくらいの質量をパックし、すぐにマンハッタンの長さにまたがる球に縮小します。 エベレスト山を角砂糖の大きさに絞るのに十分な内部圧力を粉砕することは、原子以下の陽子と電子を中性子に融合させます。

天文学者は中性子星がどのように生まれるかについて多くのことを知っています。, しかし、これらの超高密度コアの内部で、その後何が起こるかはまさに謎のままです。 一部の研究者は、中性子が中心までのすべての方法を支配する可能性があると理論化しています。 他の人は、信じられないほどの圧力が材料をよりエキゾチックな粒子に圧縮したり、異常な方法でスキッシュして変形する状態にすると仮定してい

今、憶測の数十年後、研究者は、中性子星内部構成エクスプローラ（NICER）と呼ばれる国際宇宙ステーション上の機器のおかげで、謎の解決に近づいています。,

このNASA宇宙観測所は、中性子星の質量と半径1,2、およびその磁場1,3についての予期しない発見のいくつかを天文学者に提供しました。 より良いチームは、今後数ヶ月でより多くの星に関する結果をリリースする予定です。 他のデータは、中性子星が一緒に衝突するときにねじれるのを見ることができる重力波観測所から入ってきています。 これらの観測を組み合わせることで、研究者は中性子星の内臓を満たすものをゼロにする態勢を整えています。,

この分野の多くの人にとって、これらの結果は、宇宙で最も困惑している物体のいくつかの研究における転換点を示しています。 “これは中性子星物理学の黄金時代になり始めています”と、ドイツのフランクフルトにあるゲーテ大学の理論物理学者、ユルゲン-シャフナー-ビーリヒは言います。

2017年にSpaceXのファルコン9ロケットに乗って打ち上げられたUS$62百万NICER望遠鏡は、宇宙ステーションの外に座って、パルサーから来るX線を集めます-灯台からのビームのように周りを掃除する巨大な柱に荷電粒子とエネルギーを放射する中性子星を回転させます。, X線は、強力な磁場が外部から荷電粒子をリッピングし、反対側の磁極でそれらをバックダウンバックダウンそれらを叩きつけるパルサーの表面上の百万度のホットスポットから発生します。

NICERは、56個の金でコーティングされた望遠鏡を使用してこれらのX線を検出し、100ナノ秒以内に到着をタイムスタンプします。 この機能により、研究者は、中性子星が毎秒1,000回まで鞭打つようにホットスポットを正確に追跡することができます。 ホットスポットとして見ることができますいスイングにオブジェクトです。, しかし、中性子星は時空を非常に強く歪ませるので、NICERは地球から離れたホットスポットからの光も検出します。 アインシュタインの一般相対性理論は、光の曲がりの量によって星の質量と半径の比を計算する方法を提供します。 それと他の観測により、天体物理学者は死んだ星の質量と半径を固定することができます。 これら二つの特性は、コアで何が起こっているかを判断するのに役立ちます。

深い、暗い謎

中性子星は、より深いものが行くほど複雑になります。, 主に水素とヘリウムで作られた薄い大気の下で、恒星の残骸は、原子核と自由ローミング電子を含むちょうどセンチメートルまたは二つの厚さの外殻を誇っていると考えられている。 研究者たちは、イオン化された元素が次の層で一緒に詰まり、内部の地殻に格子を作り出すと考えています。 さらに下に、圧力は非常に強いので、ほとんどすべての陽子が電子と結合して中性子に変わりますが、それを超えて起こることはせいぜい暗いです（”,

“成分を知ることは一つのことです”と、カリフォルニア州立大学フラートンの天体物理学者であるJocelyn Readは言います。 “レシピを理解し、それらの食材がどのように相互作用するかを理解することは別のことです。”

物理学者は、地球上の粒子加速器のおかげで何が起こるかについていくつかのアイデアを持っています。, ニューヨーク州アプトンのブルックヘブン国立研究所やスイスのジュネーブ近郊のCERNの大型ハドロン衝突型加速器などの施設では、研究者らは鉛や金のような重イオンを一緒に粉砕して、記念碑的に高密度の材料の簡単なコレクションを作り出している。 しかし、これらの速度論的実験は、陽子と中性子がそれらの構成クォークとグルーオンのスープに溶解する数十億あるいは兆度のフラッシュを生成する。 地上の機器は、中性子星の中の比較的穏やかな数百万度の条件を調べるのに苦労しています。,

何が起こるかについては複数のアイデアがあります。 クォークとグルーオンが自由に歩き回っている可能性があります。 または、極限エネルギーの創製につながる粒子というハイペロン. 中性子のように、これらの粒子は三つのクォークを含む。 しかし、中性子はアップクォークとダウンクォークとして知られている最も基本的で最低エネルギーのクォークを含んでいるのに対し、ハイペロンはエキゾチックな”奇妙な”クォーク もう一つの可能性は、中性子星の中心がボース–アインシュタイン凝縮物であり、すべての亜原子粒子が単一の量子力学的実体として作用する物質の状態であるということである。, そして理論家はさらに異様な見通しの上で、余りに夢を見た。

重要なことに、それぞれの可能性は中性子星の巨大な重力に対して特徴的な方法で押し戻されるでしょう。 ば異なる内部圧力ることによって拡大または縮小半径を指定された。 例えば、ボース–アインシュタイン凝縮中心を持つ中性子星は、中性子のような通常の物質から作られたものよりも小さい半径を持つ可能性が高い。 つのコア製の柔らかいハイペロン物質が半径を小さくしてあります。,

“粒子の種類とそれらの間の力は、材料がどれほど柔らかくてかわいいかに影響します”と、アムステルダム大学のより良いチームメンバーであるAnna Watts

モデルを区別するには、中性子星の大きさと質量を正確に測定する必要がありますが、研究者はまだどの可能性が最も高いかを言うのに十分なレベルに彼らの技術をプッシュすることができませんでした。 彼らは通常、連星の中性子星を観測することによって質量を推定する。, として物体の軌道上でも、彼らは綱gravitationallyれ、天文学者でこれを決めている。 およそ35個の星はこのようにして質量を測定していますが、数字は太陽質量までの誤差バーを含むことができます。 単なるダースかそこらも計算された半径を持っていましたが、多くの場合、技術はこの値を数キロメートルよりも良いと判断することはできません—中性子星の大きさの五分の一と同じくらいです。,

ニーサーのホットスポット法は、1999年に打ち上げられ、現在も運用されている欧州宇宙機関のXMM-ニュートンX線天文台によって使用されている。 NICERは四倍敏感で、XMM-Newtonよりも数百倍優れた時間分解能を持っています。 次の二から三年間で、チームは半キロ以内に彼らの半径を固定し、別の半ダースのターゲットの質量と半径を作業するためにより良いを使用することができるようになると期待しています。, この精度で、このグループは、質量と半径、または同等に内部圧力と密度を関連付ける中性子星状態方程式として知られているものをプロットするために十分に配置されるでしょう。

科学者が特に幸運であり、自然が特に良いデータを提供する場合、NICERはこの方程式の特定のバージョンを排除するのに役立つかもしれません。 しかし、ほとんどの物理学者は、それ自体で、天文台はおそらく神秘的な物体のコアで何が起こるかのモデルを完全に排除するのではなく、絞り込む,

“これはまだ私たちが今どこにいるのかについての大きな進歩になるだろう”とWatts氏は言います。

フィールドライン

ニーサーの最初のターゲットはJ0030+0451で、うお座の方角にある地球からおよそ毎秒200回回転し、337パーセク（1,100光年）離れた孤立したパルサーである。

二つのグループ—主にアムステルダム大学に拠点を置く1つとカレッジパークにあるメリーランド大学の研究者が率いる2つのグループ—別々に850時間の観測を通じてふるいにかけ、お互いのチェックとして機能しました。,

ホットスポットライトカーブは非常に複雑なので、グループはさまざまな構成をモデル化し、データに最も適したものを作り出すためにスーパーコンピュータを必要としました。 しかし、どちらも同様の結果を思いつき、J0030は太陽の1.3倍または1.4倍の質量を持ち、半径はおよそ13キロメートルであることを発見しました。,

これらの結果は決定的ではありません：中性子星の根性の中にあるものについての世俗的または別世界の予測のいずれかをサポートするために使 “ファンキーでクレイジーでエキゾチックなものはまだ必要ありません”と、ノックスビルのテネシー大学の核天体物理学者アンドリュー-スタイナーは言います。

研究者は、ホットスポットの形状と位置についての調査結果に大きな驚きを得ました。, 中性子星の標準的なビューは、その磁力線が棒磁石を取り巻くもののように見え、北と南の側面が星の反対側の端にある円形の点から現れています。 対照的に、オランダのスーパーコンピュータシミュレーションでは、J0030のホットスポットはどちらも南半球にあり、そのうちの1つは長く三日月形であることが示唆された。 メリーランド州のチームはまた、三つのホットスポット解決策の可能性を考え出しました：二つの南の楕円形のものと回転南極近くの最後の円3。,

“彼らはビームが180度分離されていないパルサーの最初の本当の検出をしたかもしれないように見えます”と、そのような可能性をモデル化しているフランスのトゥールーズの天体物理学-惑星学研究所の天体物理学者であるナタリー-ウェッブは言います。 “それは本当なら素晴らしいことです。”

この結果は、太陽の一兆倍強い中性子星の磁場が一般的に想定されているよりも複雑であることを示唆する以前の観測と理論を強化するだろう。, 後最初に、刻と考えられゆっくり回転以上単位百万年とする。 しかし、彼らの周りを周回する伴星がある場合、彼らはこのパートナーから材料と角運動量を盗み、彼らの回転を超高速の速度に高めるかもしれません。 物質が星の外部に堆積するにつれて、いくつかの理論家は、中性子星の磁場を奇妙な配置にねじる巨大な渦を発生させ、表面下の中性子の流体状の層に影響を与える可能性があることを示唆している。, コンパニオンは最終的に消費されるか、あまりにも多くの質量を失う可能性があり、現在の孤独なJ0030の場合のように、それは重力結合していなくなり、飛び去っていきます。

進行中の作業

NICERは、半径測定の精度をさらに向上させるために、J0030の観測を続けています。 同時に、チームは、第二のターゲット、白色矮星の伴星を持つわずかに重いパルサーからのデータを分析し始めています。, 他の天文学者は、パルサーの質量を決定するためにこのペアの軌道ダンスの観測を使用しています,より良い研究者は、彼らが彼らの発見を検証するた

NICERのターゲットの中には、太陽の2.14倍の質量を持つ巨大な中性子星の現在の記録保持者を含む、少なくともいくつかの高質量パルサーが含まれる予定である。 それは研究者が上限を調べることを可能にするはずです：中性子星がブラックホールに崩壊する点。 2.14太陽質量の物体でさえ、理論家が説明するのは難しいです。 いくつかの研究者はまた、NICERは同じ質量だが半径が異なる二つの中性子星を見つけることができるかもしれないと示唆している。, これは、わずかな違いが二つの異なるコアを作成する遷移点の存在を示唆しているでしょう。 一方は主に中性子を含み、他方はよりエキゾチックな物質で構成されている可能性があります。

より良い先駆者であるが、それはパルサーの深さを配管する唯一の楽器ではありません。 2017年、米国のレーザー干渉計重力波天文台（LIGO）は、イタリアの乙女座検出器とともに、二つの中性子星が衝突して合流する信号を拾いました4。, 衝突の前に物体が互いの周りを回転すると、星の大きさと構造に関する情報を含む重力波が放出されました。 それぞれの星の巨大な重力の影響は、そのパートナーを引っ張って変形させ、球から涙滴形に両方を曲げました。 これらの最後の瞬間における歪みの量は、物理学者に中性子星の内部の材料の可鍛性についての手がかりを与えます。

ルイジアナ州リビングストンにあるLIGOの施設は、昨年月に第二の中性子星のスマッシュアップを拾い、より多くのイベントがいつでも見つけること, これまでのところ、二つの合併は、中性子星内部の性質を示唆しており、特に変形可能ではないことを示唆しているだけである。 しかし、現在の世代の施設では、反りが最も大きく、内部条件が最も明確に表示される重要な最後の瞬間を観察することはできません。

日本の飛騨の神岡重力波検出器は今年後半にオンラインになる予定であり、マラートワダのAundha Naganath近くの重力波観測におけるインドのイニシアチブは2024年にオンラインになる予定である。, LIGOとVirgoと組み合わせることで、感度が向上し、クラッシュに至るまでの瞬間の詳細をキャプチャする可能性もあります。

さらに将来を見Lookingえて、いくつかの計画された機器は、より良く、現在の重力波観測所を逃れる観測を行うことができます。 強化されたX線タイミングと偏光測定ミッション（eXTP）と呼ばれる中国とヨーロッパの衛星は、2027年に打ち上げられ、孤立した中性子星と連星の両方を調べて状態方程式を決定することが期待されている。, 研究者らはまた、2030年代に広帯域エネルギーx線の分光時間分解天文台、またはSTROBE-Xと呼ばれる宇宙ベースのミッションを提案しています。それは、少なくとも20以上の中性子星の質量と半径をさらに正確に固定し、NICERのホットスポット技術を使用するでしょう。

中性子星の心は、おそらく常にいくつかの秘密を保持します。 しかし、物理学者は今、層を剥がし始めるのに適しているようです。, LigoチームのメンバーであるRead氏は、2030年代と2040年代に重力波検出器がどのような科学的問題に取り組むことができるかを想像するプロジェクトに協力してきたと述べています。その過程で、中性子星の研究の風景、特に状態方程式の問題は、それまでには非常に異なって見えるはずです。

“それはあなたがいつもそこにいるだろうと考えているこの長年のパズルでした”と彼女は言います。 “今、私たちは科学界がこの十年以内に中性子星構造のパズルを考え出すのを見ることができる時点にいます。