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最速で回転するパルサーにはクォーク物質が含まれているのでしょうか?

中性子星は、最も単純なモデルでは中性子でできているため、このように名付けられました。それらは、大きな星の中心が崩壊し、重力の重みによって原子が崩壊するときに形成されます。電子は陽子と一緒に絞り出され、その結果、核は高密度の中性子の海になります。しかし現在では、中性子星が重力で束縛された中性子だけではないことがわかっています。まず、中性子はクォークで構成されており、クォークは中性子内および中性子間の両方で独自の相互作用を持っています。これらの相互作用は非常に複雑であるため、中性子星の内部の詳細は完全には理解されていません。中性子物質のバルク特性は、トールマン・オッペンハイマー・ヴォルコフ (TOV) 状態方程式によって最もよく説明されます。これに基づくと、中性子星の質量の上限は太陽質量約 2.2 ～ 2.6 であるはずであり、これは観測結果と一致していると考えられます。 TOV 方程式では、中性子星内の中性子が中性子のままであることも前提としています。原子核では、その性質上、自由クォークの海を持つことはできません。強力な核力したがって、これは合理的な仮定のように思えます。しかし、一部の物理学者や天文学者は、中性子星の密集した中心部でクォークが解放されて、クォーク星。中性子星内のクォークが非常に強く相互作用するため、strange クォークが出現し、strange クォーク星となる可能性があると示唆する人もいます。これらのアイデアを探求する 1 つの方法は、パルサーを観察することです。パルサーは磁極が私たちの方向にスイープする回転中性子星であるため、パルサーからの電波パルスのタイミングを計ることで回転速度を測定できます。したがって、パルサーが 3 秒ごとに点滅する場合、中性子星が 1 回転するのにかかる時間がわかります。パルサーは、私たちが中性子星というものを初めて知ったきっかけです。中性子オブジェクトの回転速度によって、そのオブジェクトが持つ必要のある最小密度がわかるためです。さまざまな周波数における中性子星の形状。クレジット: Gärtlein 他遊び場のメリーゴーランドのようなものと考えることができます。数人の子供たちを乗せてメリーゴーランドを高速で回転させると、子供たちが握力を失いながら一人ずつ飛び去るのを見ることができます。これが、最近遊び場のメリーゴーランドが非常に珍しい理由の 1 つです。星は重力によって結合されているため、星の回転速度には上限があります。これ以上速度が速くなると重力が失われ、星はバラバラに飛び散ってしまうだろう。したがって、パルサーの回転を測定すると、ケプラー周波数として知られる上限を下回る必要があることがわかります。星の表面重力はその密度に依存するため、回転周波数から星の最小密度がわかります。天文学者が最初に 1 秒間に数回回転するパルサーを発見したとき、パルサーの密度は白色矮星よりも大きいため、それは中性子星であるに違いないとわかっていました。非常に高い回転周波数を持つパルサーがいくつかあります。ミリ秒パルサーとして知られる観測された最速のパルサーは、700 Hz を超える周波数を持つことがあります。考えてみるとかなり驚くべきことです。太陽のほぼ2倍の質量を持つ天体ですが、直径はわずか数キロメートルで、1秒間に数百回転します。ミリ秒パルサーは非常に速く回転するため、球形ですらありません。赤道付近で膨らみ、扁平回転楕円体になります。これは、極地域の密度が赤道付近よりもはるかに高いはずであることを意味します。これは、極域の中性子がクォーク物質への相転移を起こすのではないかという疑問を引き起こします。中性子星とハイブリッド中性子星の質量とケプラー周波数の比較。クレジット: Gärtlein 他このアイデアを探求するために、研究チームはさまざまな中性子星のモデルを調べました。彼らは従来の中性子星の状態方程式をモデル化し、内部が中性子とクォーク物質の混合物であるいわゆるハイブリッド星と比較した。これから、彼らは星の全体の質量に関連するケプラー周波数を計算しました。彼らは、現在観測されているミリ秒パルサーはすべて従来のモデルで記述できるが、最速のパルサーにはハイブリッド…

執筆 nipponese 更新 2024年12月13日

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2024-12-13 16:40:00

中性子物質のバルク特性は、トールマン・オッペンハイマー・ヴォルコフ (TOV) 状態方程式によって最もよく説明されます。これに基づくと、中性子星の質量の上限は太陽質量約 2.2 ～ 2.6 であるはずであり、これは観測結果と一致していると考えられます。 TOV 方程式では、中性子星内の中性子が中性子のままであることも前提としています。原子核では、その性質上、自由クォークの海を持つことはできません。強力な核力したがって、これは合理的な仮定のように思えます。しかし、一部の物理学者や天文学者は、中性子星の密集した中心部でクォークが解放されて、クォーク星。中性子星内のクォークが非常に強く相互作用するため、strange クォークが出現し、strange クォーク星となる可能性があると示唆する人もいます。

これらのアイデアを探求する 1 つの方法は、パルサーを観察することです。パルサーは磁極が私たちの方向にスイープする回転中性子星であるため、パルサーからの電波パルスのタイミングを計ることで回転速度を測定できます。したがって、パルサーが 3 秒ごとに点滅する場合、中性子星が 1 回転するのにかかる時間がわかります。パルサーは、私たちが中性子星というものを初めて知ったきっかけです。 中性子 オブジェクトの回転速度によって、そのオブジェクトが持つ必要のある最小密度がわかるためです。

さまざまな周波数における中性子星の形状。クレジット: Gärtlein 他

遊び場のメリーゴーランドのようなものと考えることができます。数人の子供たちを乗せてメリーゴーランドを高速で回転させると、子供たちが握力を失いながら一人ずつ飛び去るのを見ることができます。これが、最近遊び場のメリーゴーランドが非常に珍しい理由の 1 つです。星は重力によって結合されているため、星の回転速度には上限があります。これ以上速度が速くなると重力が失われ、星はバラバラに飛び散ってしまうだろう。したがって、パルサーの回転を測定すると、ケプラー周波数として知られる上限を下回る必要があることがわかります。星の表面重力はその密度に依存するため、回転周波数から星の最小密度がわかります。天文学者が最初に 1 秒間に数回回転するパルサーを発見したとき、パルサーの密度は白色矮星よりも大きいため、それは中性子星であるに違いないとわかっていました。

非常に高い回転周波数を持つパルサーがいくつかあります。ミリ秒パルサーとして知られる観測された最速のパルサーは、700 Hz を超える周波数を持つことがあります。考えてみるとかなり驚くべきことです。太陽のほぼ2倍の質量を持つ天体ですが、直径はわずか数キロメートルで、1秒間に数百回転します。ミリ秒パルサーは非常に速く回転するため、球形ですらありません。赤道付近で膨らみ、扁平回転楕円体になります。これは、極地域の密度が赤道付近よりもはるかに高いはずであることを意味します。これは、極域の中性子がクォーク物質への相転移を起こすのではないかという疑問を引き起こします。

中性子星とハイブリッド中性子星の質量とケプラー周波数の比較。クレジット: Gärtlein 他

このアイデアを探求するために、研究チームはさまざまな中性子星のモデルを調べました。彼らは従来の中性子星の状態方程式をモデル化し、内部が中性子とクォーク物質の混合物であるいわゆるハイブリッド星と比較した。これから、彼らは星の全体の質量に関連するケプラー周波数を計算しました。彼らは、現在観測されているミリ秒パルサーはすべて従来のモデルで記述できるが、最速のパルサーにはハイブリッドモデルの方が適していることを発見しました。彼らはまた、ハイブリッド星がその上限を毎秒 1,000 回転に近づけると計算しました。したがって、800 Hz 以上の範囲でパルサーが見つかった場合、そのコアにクォーク物質が含まれている可能性が高いことがわかります。

ハイブリッド中性子星モデルをテストする別の方法は、広範囲の質量を持つより多くのミリ秒パルサーを見つけることです。これにより、回転周波数が上限で質量とともにどのように変化するかを調べて、ケプラー周波数がハイブリッドモデルまたは従来のモデルとより強く一致するかどうかを確認できるようになります。

参照： Gärtlein、Christoph、他。」最速で回転するミリ秒パルサー：中性子星のクォーク物質の指標?」 arXiv プレプリント arXiv:2412.07758 (2024)。