Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

宇宙で最も極端な天体の深部では、物質は地球上のいかなる研究所でも作り出すことのできない密度まで押しつぶされています。これらの天体は中性子星であり、大質量星が爆発した後に残された超高密度の残骸です。数十年にわたり、物理学者たちはこれらの星のまさに中心に何が存在するのかについて議論してきました。外層は馴染みのある原子核で構成されていますが、核の部分はあまりにも圧縮されているため、陽子や中性子がその構成要素であるクォークの「スープ」へと溶け込んでいる可能性があります。この通常の核物質からクォーク核への変化は、水が氷に変わるのと似た「相転移」と呼ばれますが、これは計り知れない圧力と重力の下で行われます。このようなことが起こるのか、そしてどのように起こるのかを理解することは、物質が絶対的な限界まで押しつぶされたときにどのように振る舞うかを支配する根本的な法則を明らかにする上で極めて重要です。

ドイツとアイルランドの研究者による新しい研究は、若い、熱い中性子星、いわゆる「プロト中性子星」の内部でそのような転移が起こった場合に何が起こるのかを探っています。これらの星は超新星爆発の激しい余波の中で誕生し、周囲からさらなる物質を飲み込みながら冷却されています。研究者たちは、星の核が通常の物質からクォーク物質へと突然変化するという特定のシナリオを調査しました。彼らは、この出来事が単なる静かな内部の変化にとどまらず、将来の観測機器によって検出可能な、劇的な二部構成の信号を引き起こすことを発見しました。この出来事は、時空のゆがみである「重力波」を、同時に二つの非常に異なる速度で送り出し、同時に「ニュートリノ」と呼ばれる幽霊のような粒子のバーストも放出します。

研究者たちは、このプロセスをシミュレートするために大規模なコンピュータモデルのコレクションを構築しました。物質がどのように振る舞うかについて単一の答えを推測する代わりに、彼らは既知の物理法則や実際の星の観測結果と矛盾しない、中性子星の内部構造の何千もの可能性のあるバージョンを作成しました。そして、それらのシミュレートされた星が質量を蓄えていく様子を観察しました。多くのモデルにおいて、蓄積された重みが最終的に核を臨界点へと押し上げ、クォーク物質への突然の変換を強制しました。チームは、この変換がどのような種類の信号を生み出すのかを正確に計算しました。彼らは、この出来事が二種類の異なる重力波を生み出すことを発見しました。一つ目は、核が収縮してより高密度になるにつれて星全体の形状が調整されることによって引き起こされる、キロヘルツ範囲の低周波の唸りです。二つ目は、新しいクォーク物質の小さな泡が形成され、星の中へと拡大していく際の微視的な衝突によって引き起こされる、より高周波のメガヘルツ範囲のバーストです。

これら二つの信号は、科学者が転移の物理学を解読するのに役立つような方法で結びついています。低周波の波は星の全体的な大きさや構造について教えてくれ、高周波のバーストは泡が形成され衝突する微視的なプロセスの詳細を明らかにします。研究によれば、もし同じイベントから両方の信号を検出できれば、低周波の波から得られた情報を用いて高周波のものの可能性を絞り込むことができます。これにより、表面張力（二種類の物質の境界の表面張力）のように、現在は特定不可能な特性を測定することが可能になります。また、研究者たちは、この出来事が、最初の爆発から数百ミリ秒から数秒後に到着する二度目のニュートリノのバーストを伴うことも発見しました。この遅延は、転移を引き起こすのに十分な質量を星が蓄積するまでにかかる時間によって決まります。

この知見は、このマルチメッセンジャー信号を捉えることが大きな突破口になることを示唆しています。現在の重力波検出器は低周波の唸りを聴くのに十分な感度を持っていますが、高周波のメガヘルツ・バーストを聴く能力はまだありません。しかし、研究は、現在計画されている次世代の検出器が、両方を聴き取れる可能性があることを指摘しています。もし将来の観測装置が低周波の波を検出し、同時に、専用の高周波計測器が高周波のバーストを捉えたならば、それは相転移の完全な姿を提供することになるでしょう。これは、中性子星の核にクォーク物質が存在することを証明し、宇宙で最も極端な条件下で物質がどのように振る舞うかを直接見るための最初の機会となります。この研究は、この信号をまだ発見したと主張しているのではなく、技術が追いついたときに何を探すべきか、そしてそれをどのように解釈すべきかについての明確なロードマップを提供しているのです。