Nature Astronomy誌に掲載された新たな研究で、半径が10キロメートル、質量が太陽のわずか77パーセントという「小さくて非常に軽い」中性子星について詳述されている。
中性子星は通常、太陽の1.4倍の質量を持ち、半径はわずか数十キロメートルであるため、今回の観測は異例中の異例といえる。
理論的な予想よりもはるかに軽いこの新しく誕生した星は、「宇宙で冷たく密な物質が存在する状態についての我々の知識」を広げる可能性があるとのことだ。
「このような軽い中性子星は、想定される内部組成にかかわらず、天体物理学の観点から非常に興味深い天体であるように思われます。実際、質量が ~1.17M 未満の中性子星を形成することは進化の観点から問題があり、これまでに知られている最も質量の小さい中性子星 (PSR J0453+1559, 推定質量 1.174 ± 0.004M) はこの制約に適合しています」と、研究者は論文で書いている。
では、中性子星とはそもそもなんだろうか。
星のごく中心部が崩壊するとき、陽子と電子が押しつぶされて中性子となる。NASAによると、この星の核が1～3太陽質量であれば、新たに生まれた中性子が崩壊を食い止め、宇宙で知られる高密度天体である中性子星を形成する可能性があるとのことだ。
中性子星は銀河系内に散在しており、過去に研究が行われている。超新星残骸の中心で発見され、X線を放射している。
中性子はクォークというさらに小さな粒子でできているので、超高圧がかかると中性子はクォークに分裂してしまう。潰れたクォークは非常に短命で、質量全体がブラックホールになるまで崩壊し続けると言われているが、もしそうならなかったらどうなるだろうか。
1960年代半ばにソ連の物理学者たちが発表したところによると、崩壊する星は中性子星になるには大きすぎるが、ブラックホールになるにはまだ十分な大きさではないらしい。その代わりに、星はクォークの球として、その間にはまり込むかもしれない。そういった「クォーク星」は、クォークの種類（ストレンジクォーク）にちなんで「Strange Star（ストレンジスター）」と呼ばれる。
今回の研究では、HESS J1731-347と呼ばれる超新星残骸の中にある中心コンパクト天体（「孤立した、電波を出さない、熱放射をする中性子星」）に注目した。これまでの計算では、この残骸は1万光年以上離れたところにあった。しかし、ScienceAlertによると、「距離測定の拘束力が弱い」ため、この星の他の正確な測定値を得ることは困難であったという。
最近、その場所に光学的に明るい星が発見された。ドイツのチュービンゲン Eberhard Karls 大学の Victor Doroshenko（ヴィクター・ドロシェンコ） 氏とそのチームは、ガイアマッピング調査のデータを使って、HESS J1731-347 の距離を再計算することができた。その結果、この超新星残骸は実に8,150光年の距離にあることが判明した。
Doroshenko教授と共同研究者たちは、この明るい星によって距離を決定しただけでなく、中性子星の質量とその中の物質の密度を計算することができた。
「私たちの推定質量は、HESS J1731-347のCCOを現在知られている最も軽い中性子星とし、さらにエキゾチックな天体、すなわち『ストレンジスター』の候補とする可能性があるのです。私たちは、上の文の最初の部分が確かな結果である一方で、2番目の部分は私たちの解析と一致する興味深い可能性であることを強調します」と研究者は論文に記している。
研究者たちは、この天体がよりエキゾチックな状態方程式を持つ『ストレンジスター』である可能性と、最も軽い中性子星が知られている可能性のどちらか、より高い方であることを強調している。とはいえ、宇宙に存在する大質量星に対する我々の認識を変えるに違いない。
論文
- Nature Astronomy: A strangely light neutron star within a supernova remnant
参考文献
研究の要旨
冷たい高密度物質の状態方程式を制約するためには、天体物理学的な観測が不可欠である。このような観測は、主に中性子星のX線観測に基づいており、最近では重力波観測も行われている。特に、異常に重い、あるいは軽い中性子星の観測は、観測で探る中心密度の範囲を広げ、より広いパラメータ空間での核物理学的な予測を検証することができる。ここでは、そのような星、超新星残骸HESS J1731-347の中の中心的なコンパクト天体の分析について報告する。X線スペクトルのモデリングとGaiaの観測から、中性子星の質量と半径をそれぞれM=0.77+0.20−0.17M⊙M=0.77−0.17+0.20M⊙ R=10.4+0.86−0.78R=10.4−0.78+0.86 kmと見積もった。この結果は、この天体が最も軽い中性子星であるか、あるいはもっとエキゾチックな状態方程式を持つ「ストレンジスター」であることを意味する。標準的な中性子星物質仮説を採用することで、対応する状態方程式を制約することができる。
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