Constraining hyperonic relativistic mean-field models with rapidly rotating neutron stars

死にゆく星の深部、重力が日常的な経験を拒絶するほどの力で物質を押しつぶす場所では、物理学の法則がその絶対的な限界にまで追い込まれます。巨大な星が燃料を使い果たして崩壊すると、中性子星という天体が残されます。これは、その物質のスプーン1杯分が地球上で数十億トンもの重さになるほど、極めて高密度な天体です。これらの宇宙の残骸の中では、陽子と中性子が非常に密に詰め込まれているため、地上上のいかなる研究所でも再現できない方法で相互作用することを余儀なくされます。何十年もの間、物理学者たちは、この極限状態の物質に関するルールブック、すなわち「状態方程式」を書き上げ、中性子星がブラックホールへと崩壊する前にどれほどの重さになれるかを予測しようとしてきました。しかし、これらの星には、通常の物質を構成する陽子や中性子の重い従兄弟にあたる「ハイペロン」と呼ばれるエキゾチック粒子が含まれている可能性があるという発見により、このパズルはより複雑なものとなりました。もしこれらの粒子が現れると、星の内部をより柔らかく、押しつぶしやすくする傾向があり、それによって中性子星が支えられる最大重量が低下してしまうはずなのです。ところが、天文学者たちは最近、この「軟化」によって許されるはずの重さをはるかに上回る重い中性子星を発見しており、これが理論と観測の間の緊張を生み出し、長年科学者たちを困惑させてきました。

研究チームは、これら重く高速回転する星がどのように振る舞うかを見るために、新しい一連の理論モデルを構築することで、この問題に取り組みました。彼らは、毎秒707回回転し、太陽の2.13倍以上の質量があることが測定されている、PSR J0952−0607という特定の高速回転パルサーに焦点を当てました。この測定値は、高密度物質に関するあらゆる理論にとって厳格なテストとなります。研究者たちは、粒子間の相互作用を、個々の粒子が衝突し合うのではなく、滑らかな平均的な力の場の中を移動しているかのように扱う「相対論的平均場理論」という枠組みを用いました。彼らは数十種類の異なるモデルを構築し、粒子間の力の強さを微調整することで、どのモデルが観測されたような重い星を崩壊させることなく支えられることができるのかを検証しました。彼らの研究の鍵となる部分は、高密度において粒子同士が反発し合う力を制御する特定のパラメータであり、この反発力を調整することで、エキゾチックなハイペロンが早期に、あるいは過剰に現れるのを防ぎ、それによって星を重い質量を支えるのに十分なほど硬く保てることを見出しました。

この研究により、これらの星の内部組成は、以前考えられていたよりもはるかに強く、これらの反発力の強さに敏感であることが明らかになりました。研究者がこの反発相互作用の強度を高めると、星の内部に含まれるエキゾチック・ハイペロンの割合は著しく減少しました。この減少により、星はより頑丈になり、より高い質量を支えることが可能になりました。シミュレーションにおいて、彼らは、707 Hzで回転する星の場合、特定の粒子特性の組み合わせによって、観測された2.13太陽質量の重さを確かに支えられることを発見しました。しかし、この成功にはトレードオフが伴いました。重い星を支えるのに十分な硬さを持つモデルは、物理的に大きく、半径が広い星を予測する傾向がありました。これは、中性子星はもっと小さくなるはずであるという他の天文学的観測結果と矛盾を生じさせました。研究者たちは、これらの星の物理的特性として許容される範囲は非常に狭く、これによって、星がそのような重い質量を支えるには柔らかすぎるとしていた既存の理論の多くが事実上排除されることを発見しました。

最も驚くべき発見の一つは、反発力の強さに応じて、異なる種類のエキゾチック粒子が現れる順序がどのように変化するかという点でした。彼らのモデルの中では、ある特定の種類の重い粒子が別の粒子よりも先に現れるものもあれば、その順序が逆転するものもありました。この順序付けは、粒子の電荷と粒子に作用する力の間の繊細なバランスによって決定されます。これらの関係を注意深くマッピングすることにより、チームは可能な物理的特性の空間の中に境界線を引くことができました。この線から外れるモデルは、この重く高速回転するパルサーの存在を説明することはできません。彼らは、反発力が弱すぎると星は自重で崩壊し、強すぎると星が大きくなりすぎて他の観測データと一致しなくなることを見出しました。この研究は、中性子星の内部に関する謎を完全に解明するものではありませんが、より鋭い一連の制約を提供し、将来の研究者に対して、空に見える重い星の現実によって、どの物理的ルールが許容され、どのルールが禁止されているかを明確に示しています。

この研究の意義は、単一の星にとどまりません。PSR J0952−0607の観測された質量と回転速度をガイドとして用いることで、研究者たちは、最高密度における自然界の物質の組織化のされ方を絞り込みました。彼らは、ハイペロンの存在が必ずしも中性子星を軽いものに陥らせるわけではないことを示しました。適切な力のバランスがあれば、これらのエキゾチック粒子は、質量のある安定した星と共存できるのです。しかし、これが起こるための窓は非常に狭いものです。この研究は、原子核の中心に見られる密度である「飽和密度」における核物質の性質が、星が到達できる最大質量と特定の方法で結びついていることを示唆しています。もし星の内部の粒子の有効質量が高すぎたり、反発力が弱すぎたりすれば、星はその観測された重さに達することはできません。この知見は、以前は実行可能と考えられていた多くの理論モデルをフィルタリングする助けとなり、物理学者が宇宙の最も極端な環境を支配する基本原理をより正確に理解できるよう導いています。

最終的に、この論文は、中性子星の回転がその質量を解釈する上で決定的な役割を果たすことを実証しています。PSR J0952−0607は非常に速く回転しているため、遠心力がその重さを支える助けとなり、同じ組成の回転していない星よりも重くなることが可能になります。研究者たちは、星の構造を静的なものと仮定するのではなく、回転する状態として計算することで、この点を考慮に入れました。この調整は、彼らのモデルを現実世界の観測結果と一致させるために不可欠でした。回転を考慮に入れなければ、理論的な限界は低くなりすぎ、観測された質量を収容できず、その組成が不可能であるという誤った結論を導いてしまったでしょう。回転を含めることで、チームは、内部の力が適切に調整されていれば、観測された質量はハイペロンを含む星と矛盾しないことを示しました。この研究は、素粒子物理学の抽象的な数学と、宇宙の具体的な観測可能な現実との間の重要な架け橋として機能しており、最もエキゾチックな粒子であっても、回転する星という単純で測定可能な特性によって制約を受け得ることを証明しています。