Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era
マルチメッセンジャー・データと物理学に依存しない状態方程式を用いたベイズ推論により、本研究は中性子星とストレンジ・クォーク星が共存する「二家族」シナリオを支持しており、PSR J0740+6620をクォーク星として特定し、ストレンジ・クォーク物質の絶対的安定性に対する天体物理学的な裏付けを提供している。
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宇宙の深奥、重力が物質を地球では再現不可能な密度へと押しつぶす場所には、科学的に知られている最も極端な天体、すなわちコンパクト星が存在しています。これらは、自らの重みによって崩壊した大質量星の残骸であり、太陽よりも多くの質量をわずか数十キロメートルの球体に詰め込んでいます。何十年もの間、天文学者たちはこれらの天体が何でできているのかについて議論を重ねてきました。標準的な見解では、これらは中性子星、つまり陽子と電子が押しつぶされて中性子を形成した宇宙の塊であり、ティースプーン1杯で10億トンにもなるほどの極めて高密度な流体であるとしています。しかし、対抗する説によれば、このような極限の圧力下では、中性子でさえもその基本構成要素であるクォークへと分解され、クォークの奇妙で自由流動的なスープ全体からなる星を作り出す可能性があるといいます。これらの星が中性子でできているのか、それともクォークでできているのかという問いは、単なる分類の問題ではありません。それは、極限状態において物質がどのように振る舞うかを支配する物理学の法則そのものに触れる問題なのです。
上海交通大学の研究者らによる新しい研究は、宇宙を巨大な実験室として扱うことで、この古くからの謎に新たな視点をもたらしました。研究チームは、すべての崩壊した星が同じものであると仮定するのではなく、強力な統計的手法を用いて、衝突する星からの重力波やNASAのX線望遠鏡によるパルサーの精密な測定値を含む、複数のソースからのデータを分析しました。彼らは、シンプルかつ深遠な問いを投げかけました。「観測されたコンパクト星の全家族を俯瞰したとき、それらはすべて一つの種族なのか、それとも二つの異なるタイプが隣り合わせに存在しているのか？」と。観測されたデータを、すべての星が中性子星であるシナリオ、すべての星がクォーク星であるシナリオ、そして両方のタイプが共存しているシナリオという3つの異なる予測と比較することで、研究者たちは、宇宙はこれまで考えられていたよりも多様である可能性が高いことを突き止めました。
研究者たちは、これらの星の内部で物質がどのように振る舞うかについての単一の理論に依存しませんでした。代わりに、観測結果が示唆するあらゆる事象に適応できる、柔軟でデータ駆動型のモデルを構築し、データそのものに語らせる手法を取りました。彼らは、高精度に質量とサイズが測定された4つのパルサーと、有名な重力波イベントGW170817に関与した2つの星を含む、6つの特定の天体からの情報をこのモデルに投入しました（GW170817は、これらの星がどれほど容易に押しつぶされるかについてのヒントを提供しました）。また、粒子物理学の最善の理解から導き出された、極めて高い密度における物質の振る舞いに関する理論的限界も組み込みました。チームは、これら6つの星のあらゆる組み合わせをテストし、それぞれの星が中性子星なのかクォーク星なのかを検証することで、どの構成が最もデータに適合するかを調べました。
結果は、「二家族」シナリオを強く支持するものでした。最も可能性の高いケースでは、宇宙には二つの明確な分岐を持つコンパクト星が存在します。より重く、より質量の大きい星はある一族に属し、より軽い星は別の一族に属しています。具体的には、本研究は、PSR J0740+6620として知られる観測史上最も重いパルサーは、おそらく脱拘束されたクォークのみからなる自己束縛された天体である、奇妙なクォーク星であることを示唆しています。対照的に、重力波を生み出した2つの星を含む他の5つの星は、伝統的な中性子星として記述するのが最適です。この発見は、天体物理学における長年の矛盾を解決する重要なものです。中性子星には最大サイズの限界があることが予想されており、重くなりすぎるとブラックホールへと崩壊するはずです。しかし、私たちは太陽の約2倍の重さを持つパルサーを観測しています。もしすべての星が中性子星であれば、その内部構造はこれほどの重さを支えるために非常に「硬い」ものである必要がありますが、その硬さでは、より小さな星のサイズ測定値に適合させるには大きすぎるものになってしまいます。この研究では、重い星を全く別の種類の天体として扱うことで、自然な解決策を提示しています。つまり、重い星はより質量が大きくコンパクトになれるクォーク星であり、一方で軽い星はより柔らかく柔軟な構造を持つ中性子星であるという仕組みです。
また、この研究は、星の内部を伝わる音速、すなわち物質がどれほど硬いか、あるいは柔らかいかを示す特性についても明らかにしました。すべての星が中性子星であるシナリオでは、音速はある特定の密度において予期せぬ鋭いピークを示しますが、これは物理学者を長年悩ませてきた特徴です。しかし、支持された二家族シナリオにおいては、このピークは消失します。代わりに、音速は着実に上昇した後に水平になります。これは、極限の圧力下で物質がどのように振る舞うべきかという理論的期待により合致した、より滑らかな挙動です。これは、中性子星の内部構造がクォーク星のそれとは根本的に異なること、そして宇宙はすべてのコンパクト星を単一の型に押し込めることはないということを示唆しています。
証拠はまだ絶対的なものではありませんが、統計的な重みは混合した集団であることを支持しています。研究者らは、二家族シナリオが、すべての星がアップダウン・クォーク星であるシナリオよりも約6倍起こりやすく、また、すべての星が中性子星であるシナリオよりも有意に高い確率であることを算出しました。この信頼度は「中程度の証拠」と表現されており、これはデータがその方向を強く指し示しているものの、将来の観測によって図を洗練させる余地が残されていることを意味します。最も重い星をクォーク星と分類したことは、物質の本質についても深い意味を持ちます。それは、奇妙なクォーク物質が宇宙で最も安定した物質の形態であるという仮説、すなわち決して崩壊することのない状態で存在する可能性を支持しています。もしこれが真実であれば、この奇妙な物質の微小な断片である「ストレンジレット」が初期宇宙から生き残り、ダークマターの一形態を構成している可能性さえあります。ただし、これはあくまで推測の域を出ません。
研究ではまた、特定のパルサーであるPSR J0030+0451のデータを天文学者がどのように解釈するかによって、結論がどの程度敏感に変化するかについてもテストされました。この星の表面のホットスポットを分析するモデルに応じて、その特定の星の分類は中性子星からクォーク星へとシフトする可能性があります。しかし、最も重い星であるPSR J0740+6620がクォーク星であるという識別は、テストされたすべてのモデルにおいて強固なものでした。この安定性は、二つの家族の区別が、特定の天体の測定方法によるアーティファクト（人工的な産物）ではなく、宇宙の真の姿であることを示唆しています。新しい望遠鏡や重力波検出器が稼働するにつれ、より鮮明なデータが得られ、二つの家族が本当に夜空に共存しているのかどうかを確定させ、私たちが想像していたよりも複雑で多様な恒星残骸の姿を明らかにしてくれることでしょう。
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