理論的な限界値に近い大質量の中性子星が発見された

中性子星の限界質量については、まだ不明な点が多い。中性子星ですら重力に耐えきれず潰れてしまう限界であるトルマン・オッペンハイマー・ヴォルコフ限界は、理論上は太陽質量の2.2倍から2.9倍とされているが、実際にここまで大きな質量の中性子星は観測されたことがなかった。それが今回PSR J0952-0607という中性子星の質量を測定したところ、これまで発見された中で最も重い中性子星であり、なんと太陽の2.35倍の質量であることがわかったのだ。

もしこれが本当なら、中性子星の質量は太陽質量の約2.3倍という理論上の上限に非常に近く、崩壊寸前の超高密度星を研究し、その構成物質の奇妙な量子状態をよりよく理解するための格好の実験室となることだろう。

カリフォルニア大学バークレー校の天文学特別教授であるAlex Filippenko氏は、「我々は、ウラン原子の原子核のような核密度において、物質がどのように振る舞うかを大体知っています。中性子星は1つの巨大な原子核のようなものですが、この物質が1.5太陽質量、つまり約50万個の地球質量の原子核がまとわりついているとき、それらがどのように振る舞うかは全く不明です」と述べている。

中性子星は、太陽の約8倍から30倍の質量を持つ大質量星が、超新星爆発を起こして、その質量のほとんどを宇宙に吹き飛ばす前に、崩壊した中心部です。

この核は、太陽の質量の約1.5倍で、宇宙で最も密度の高い天体の一つである。

その質量は、わずか20キロメートルほどの球体に詰め込まれている。この高密度によって、陽子電子が結合して中性子を作ることができる。この中性子の球がブラックホールにならないのは、中性子が同じ量子状態を占めるために必要な力、縮退圧と呼ばれるもので支えられているからである。

ある意味で、中性子星は巨大な原子核のような振る舞いをすることになる。しかし、中性子がエキゾチックな構造を形成したり、より小さな粒子のスープになったりする、この転換点で何が起こるかはわからない。

PSR J0952-0607 は、すでに天の川銀河系で最も興味深い中性子星の一つだった。この星はいわゆるパルサーと呼ばれるもので、これは非常に速く回転している中性子星となり、極から放射線のジェットを放出している。星が回転するとき、この極が宇宙の灯台のように観測者の前を通過するため、星が脈打つように見えるのだ。

このような星は、自転速度がミリ秒単位で非常に速いことがある。PSR J0952-0607は、天の川銀河系で2番目に速いパルサーで、1秒間に707回という驚異的な速さで回転している。(最速のパルサーはわずかに速く、1秒間に716回回転している)。

また、この星は「ブラックウィドウ」と呼ばれるパルサーでもある。連星と近接した軌道を回っており、非常に近いため、その巨大な重力場が連星から物質を引き寄せている。この物質は降着円盤を形成し、排水口のまわりで水が渦を巻くように、中性子星のまわりで渦を巻き、中性子星に流れ込んでいく。降着円盤の角運動量は中性子星に伝わり、中性子星の自転速度を増加させる。

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(画像: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko)

スタンフォード大学の天体物理学者Roger Romani教授が率いる研究チームは、PSR J0952-0607がこの過程のタイムラインにどのように位置づけられるかを理解することを目的としていた。この連星は、太陽質量の10パーセントにも満たない小さな星だ。研究チームは、この星系とその軌道を入念に調べ、その情報をもとにパルサーの新しい精密な測定値を得た。

その結果、パルサーの質量は太陽の2.35倍±0.17の質量という結果が出た。標準的な中性子星の初期質量を太陽の約1.4倍と仮定すると、PSR J0952-0607は連星系の伴星から太陽一個分に相当する物質を吸い上げたことになる。このことは、中性子星について大変重要な情報とのことだ。

「これは、原子核の数倍の密度をもつ物質の性質に、最も強い制約を与えるものです。実際、密度が高い物質に関する一般的な物理モデルの多くは、この結果によって除外されます。中性子星の最大質量が高いということは、それが原子核とその溶解したアップクォークとダウンクォークの混合物であることを示唆しています。これは、提案されている多くの物質の状態、特にエキゾチックな内部組成を持つ物質を除外するものです。」とRomani教授は説明する。

この連星はまた、連星の伴星を持たない孤立したパルサーが、ミリ秒単位の回転速度を持つことができるメカニズムも示している。J0952-0607の伴星はほとんど消滅しており、それが完全に食い尽くされると、パルサーは(質量の上限を超えてさらにブラックホールに崩壊しなければ)その非常識な高速回転速度をかなり長い間維持することになるのだ。

そして、他の孤立したミリ秒パルサーと同じように、最終的には1人になってしまうのだ。

「我々は、ブラックウィドウや、ブラックホール寸前まで接近した同様の中性子星を探し続けることができます。しかし、もし見つからなければ、2.3太陽質量が真の限界であり、それを超えるとブラックホールになるという議論が強まるでしょう。」とFilippenko教授は語っている。

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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