中性子星の高精度なサイズ測定に成功!東京-さいたま新都心間のサイズに太陽の1.4倍質量のヤバさ

space

太陽と地球の比較(左)。中性子星と日本地図のサイズ比較(右)。/Credit:universetoday.com/MULTISOUP CO., LTD.
point
  • マルチメッセンは-観測を組み合わせた、これまでより2倍厳密な中性子星のサイズ測定に成功した
  • 新しい測定値は、中性子星の半径をおよそ11キロメートルとしている
  • また研究は中性子星がブラックホールと合併した場合、丸呑みされてしまうと予想している

2017年8月に世界で初めて、中性子星連星の合体というイベントが重力波観測によって検出されました。

その天体は地球からに1億2000万光年離れた場所にあり、「GW170817」と呼ばれています。

中性子星合体の重力波が検出されたことで、その到来方向を様々な望遠鏡が観測し、この天体にはX線やガンマ線の他、ニュートリノの検出も含めた非常に多様な観測が実行されました。

こうした幅広い観測で1つの天体現象を調べることを「マルチメッセンジャー天文学」と呼びます。

そして、この数多く集められたデータを用いて、今回中性子星の正確なサイズ測定が行われ、これまでの2倍近く厳密な中性子星のサイズ測定値が明らかになりました

それによると、中性子星のサイズは半径11キロメートル程度であるといいます。

中性子星は太陽を超える質量を持ちながら、そのサイズは非常にコンパクトであることが知られていましたが、この正確なサイズは一体私たちの感覚でいうとどの程度なんでしょうか?

この研究は、マックスプランク重力物理学研究所のメンバーが率いる国際研究チームより発表されていて、3月9日付けで天文学の科学雑誌『Nature Astronomy』に掲載されています。

Stringent constraints on neutron-star radii from multimessenger observations and nuclear theory
nature.com/articles/s41550-020-1014-6

中性子星を日本地図に載せてみた

今回の中性子星のサイズを東京駅を中心とした赤い円で日本地図に描いてみた。/Credit:MULTISOUP CO., LTD.

今回の研究で明かされた中性子星の正確なサイズは、およそ半径10.4km~11.9km(直径20.8km~23.8km)の範囲になるといいます。

これを東京駅を中心とした同心円で描いた場合、上の画像のようなサイズ感になります。だいたい11kmというと東京駅からさいたま新都心駅間くらいでしょうか。

日本地図の中においてもこんなに小さい天体というのは、なんとも意外な印象です。

ところが中性子星はブラックホールになる一歩手前の、非常に重い天体で、この小さなサイズの中に太陽の1.4倍もの質量を持っているのです。

ちなみに太陽と地球を比較するとこんな感じです。

太陽と地球のサイズ比較。もはや比較にならない……。/Credit:universetoday.com

太陽から見た地球は豆粒以下の大きさで、比較画像も何を比較してるのか言われなければわからないレベルです。

そんな太陽よりもさらに重たい質量が、日本地図のあんな小さな範囲に収まると考えれば、いかに中性子星がヤバい天体がよくわかります。

中性子星はそのあまりの高密度なために、ティースプーン一杯すくい取っただけで、地球と同じ質量になるのだといわれています。

中性子星とはなんなのか?

中性子星のイメージ。強力な重力で背景が歪んで見える。Credit:en.Wikipedia Commons

中性子星は非常に重い恒星が超新星爆発を起こした後に残った残骸の星です。

重い星はその中心核でどんどん重い元素の核融合を繰り返していきますが、それは鉄の合成を最後に止まってしまいます

星は核融合によるエネルギーによって自重で潰れてしまう圧力を抑え込んでいます。核融合が停止すると自重を支えることが難しくなってきます。

そして、最終段階の恒星では、陽子が電子を取り込んで中性子へ変化していきます。これはその方がエネルギー的に安定状態になるためです。

電子同士の斥力が失われることで、星の核は重力を抑え込むことができなくなり、一気に潰れていきます。

しかし、重力に圧迫されて原子核内よりも中性子同士の距離が近くなると、自然界最強の力「強い核力」が中性子や陽子の間で反発力を生み出し星の重力崩壊を押し止めます

こうしてできた高密度な中性子の核に、他の星の構成物質が跳ね返って周囲に吹き飛ばされるのが超新星爆発です。

中性子星はこうして太陽質量を超えながら、日本地図に乗るほどコンパクトな高密度の中性子主体の星として誕生するのです。

ある意味、超巨大な原子核と言うべき存在で、しかもその中身は原子核よりも高密度なのです。

なんとも理解を超越するすごい天体です。

マルチメッセンジャー天文学

様々な宇宙の信号を捉えて天体現象を観測するマルチメッセンジャー天文学の概要。/Credit:Université de Genève

今回の研究の重要な要素の1つが、初のマルチメッセンジャー天文学の成果であるという点です。

2015年にアメリカの重力は観測装置LIGOが、2つのブラックホール合体現象を重力波で検出することに初めて成功します。

その後も重力波観測によりブラックホール連星の合体が観測されましたが、この現象では重力波以外は何も検出されませんでした

しかし、2017年8月中性子星連星「GW170817」の合体を重力波が捉えると、その方角へ世界中の様々な望遠鏡が向けられ、電波、X線、ガンマ線、ニュートリトと多様な信号をキャッチすることに成功したのです。

中性子星の合体は、そこで何が起きるのか色々と多くの謎を秘めています。

これは世界で初めて中性子星合体という天体現象を、総合的に解明することができるようになった瞬間でした。

これを指してマルチメッセンジャー天文学と呼びます。

今回報告された中性子星のこれまでで最高精度のサイズ測定も、その成果の1つです。

また、今回の研究では、もしブラックホールと中性子星の合体が起きた場合、重力波だけでは、それがブラックホール同士の合体と見分けがつかない可能性も報告しています。

ブラックホールと中性子星が合体した場合、中性子星はブラックホールに丸呑みされてしまい、重力波以外の信号を放射することがないのだそうです。

これまではブラックホールに中性子星が飲み込まれる場合、中性子星が崩壊して様々な放射を行うと考えられていましたが、それはどうやら難しいことのようです。

もし、ブラックホールが非常に小さいか、高速回転している場合は、中性子星が飲み込まれる前に破壊され、重力波以外の信号を観測することもできるかもしれません。

重力波観測は現在も進歩を続けている分野です。これから、重力波を含めたマルチメッセンジャー観測が、今まで謎とされてきた天文学の謎を解明していくのかもしれません。

なんで原子核より高密度な「中性子星」が成立するの?「強い核力」の謎に迫る

 

あわせて読みたい

SHARE

TAG