Magnus mountains on spinning neutron stars

宇宙を、物理学の法則が極限まで引き延ばされる巨大なコスミック・プレイグラウンド（宇宙の遊び場）として想像してみてください。この遊び場には、中性子星と呼ばれる天体が存在します。これらは死んだ星の崩壊した核であり、あまりにも密度が高いため、わずかスプーン一杯分の物質の重さが山一つ分に相当します。これほど高密度であるため、内部の物質は地球上のどの研究所でも再現できないような挙動を示します。科学者たちは、これらの星の深部では、中性子が超流体（摩擦がゼロで、減速することなく永遠に回転し続けられる液体）のように流れていると考えています。

次に、この超流体が硬いキャンディの殻のような固体のシェル（外殻）の中で回転している様子を想像してみてください。星が回転するにつれ、超流体は回転を続けようとしますが、固体のシェル（地殻）は磁気力によって減速していきます。これにより、綱引き状態が生じます。超流体は目に見えない微小な箇所でシェルに「引っかかり」、ラグ（ずれ）を生じさせます。この論文では、この引っかかった超流体が地殻に対して押し返し、星の形状を変形させようとしたときに何が起こるかを探求しています。もし星が十分に「デコボコ」になれば、それは宇宙の灯台のように機能し、時空のさざ波と呼ばれる重力波を放射する可能性があります。重力波を検出することは、宇宙の鼓動を聴くようなものであり、極限の圧力下にある物質についての秘密を教えてくれるでしょう。

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宇宙の「マグヌス山」

この研究において、サウサンプトン大学のヤシャスウィ・ガンガー（Yashaswi Gangwar）とD.I.ジョーンズ（D.I. Jones）の研究者たちは、楽しくも物理的な問いを投げかけています。「回転する中性子星の内部にある目に見えない力が、山を作り出すことができるのか？」という問いです。

彼らが話しているのは、岩や土で作られた山のことではありません。「マグヌス山」について話しているのです。これを理解するために、回転する野球ボールを思い浮かべてください。ピッチャーがカーブボールを投げるとき、回転するボールは周囲の空気を引き連れ、ボールを横方向に押し出す力を生み出します。これはマグヌス効果と呼ばれます。中性子星の内部では、この「ボール」が超流体であり、「空気」が固体の地殻です。超流体が乱雑で不均一な方法で地殻に引っかかる（ピン留めされる）と、横方向への押し出し力――マグヌス力――が発生し、それが星の地殻を押しつぶしたり、引き伸ばしたりしようとします。

著者らは、この力が実際に星を変形させるのに十分な強さを持っているかどうかを確認するために、コンピュータモデルを構築しました。彼らは、星を球体としてではなく、無限に長い円柱（巨大な宇宙のソーダ缶のようなもの）として想定することで問題を簡略化しました。この「缶」の内部には、2種類の流体をモデル化しました。一つは超流体の中性子成分、もう一つは固体の地殻を構成する電荷成分（陽子と電子）です。

彼らが発見したこと

研究チームは、超流体が押し返したときに地殻がどのように反応するかを見るためにシミュレーションを行いました。彼らの「宇宙のソーダ缶」が明らかにした内容は以下の通りです。

• その力は実在し、強力である： シミュレーションの結果、マグヌス力は星の表面に顕著な隆起を作り出すのに十分強力であることが示されました。彼らの計算によれば、この「山」は、質量四重極（星がいかにデコボコであるかの尺度）を最大で 10⁻⁵ まで作り出す可能性があります。これを例えると、10万分の1程度の変形です。これは小さく聞こえるかもしれませんが、都市サイズの星にとっては、巨大で険しい峰となります。
• 「電流」による山は存在しない： 興味深いことに、星の質量はデコボコになりますが、星の内部の電流は同様の揺らぎを生じさせないことが分かりました。彼らのモデルにおける「電流四重極」はゼロでした。
• 限界を決めるのは地殻である： 山の大きさは、超流体の押し返す力の強さによって決まるのではなく、地殻自体の強さによって制限されます。山は、地殻が破壊されるか、あるいは超流体が「外れて（アンピンして）」星の自転減速を許すまで成長し続けます。著者らは、もし地殻が十分に強ければ、これらの山は現在および将来の重力波検出器によって検出可能な大きさになり得ると示唆しています。

どのように行ったか

研究者たちは単に推測したのではなく、流体がどのように動き、弾性のある地殻がどのように伸びるかを記述する複雑な一連の方程式を解きました。彼らは、数学的な処理を管理可能なものにするために、星を円柱として扱いました。そして、四重極形状を作り出す特定のタイプの揺らぎ（m=2 モードと呼ばれます）に焦点を当てました。

彼らは、詳細なコンピュータシミュレーションの結果を「バック・オブ・ザ・エンベロープ（概算）」による推定値（大まかな素早い計算）と比較検証し、詳細なシミュレーションがうまく一致することを確認しました。また、ストレスの下で地殻が壊れないかどうかもチェックしました。標準的な工学基準であるフォン・ミーゼス基準（von Mises criterion）を用いた結果、星が回転しすぎていたり地殻が弱すぎたりしない限り、地殻は山を保持できる可能性が高いことが分かりました。

結論

この論文は、「マグヌス山」が回転する中性子星において非常に現実的な可能性であることを示唆しています。もしこれらの山が存在すれば、それらは現在私たちが探し求めている連続重力波の源となり得ます。著者らは、これは（球体の代わりに円柱を用いた）簡略化されたモデルであることを強調していますが、この物理現象が実際に機能することを証明しています。これは、死んだ星の内部にある超流体の目に見えないダンスが、時空のさざ波を通じてどのように宇宙の残りの部分へと存在を叫んでいるのかを理解するための、有望な一歩です。