Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

宇宙の深奥、望遠鏡や宇宙船の手が届かない遠く離れた場所に、宇宙で最も極端な実験室である中性子星が存在しています。これらは、死にゆく巨大な星の崩壊した核であり、その物質のわずかティースプーン1杯分が山ほどの重さになるまで押しつぶされたものです。これらの恒星の残骸の内部では、物質は日常の生活で観察される法則を無視するほど、極めて強く圧縮されています。想像を絶する圧力がかかる最中心部では、原子そのものが崩壊している可能性があります。通常、物質を結合させている陽子と中性子が、クォークとして知られるより小さな構成要素の「スープ」へと溶け出してしまうかもしれません。クォークが粒子の中に閉じ込められるのではなく、自由に動き回るというこの仮説上の物質の状態は、クォーク物質と呼ばれます。もしこれが存在すれば、それはハイブリッド星、すなわち、エキゾチックなクォーク物質の核を通常の核物質の殻が取り囲む宇宙の天体となるでしょう。これらの星が存在するかどうか、そしてどのような姿をしているのかを理解することは、現代天体物理学における大きな挑戦の一つです。なぜなら、それは自然界が可能な限り最も激しい条件下でどのように振る舞うかを明らかにするものだからです。

長年、科学者たちは理論モデルと現実世界の観測結果を組み合わせることで、これらの星の内部構造を解明しようとしてきました。彼らは、中性子星の表面で跳ね返るX線を監視する望遠鏡からのデータや、2つの中性子星が衝突した際に生じる時空のさざ波を聴き取る重力波検出器からのデータを手にしています。ポルトガルのコインブラ大学の研究チームによる最近の研究において、彼らはこの謎を再検討しました。彼らは以前、最も重い中性子星は、このエキゾチックなクォーク物質の大きな核を含んでいるはずだという一連のモデルを作成していました。しかし、彼らの新しい研究は異なる問いを投げかけました。「もしクォークの核がもっと小さかったら、あるいはほとんど存在しないとしたらどうなるだろうか？」と。コアが巨大でなければならないという厳格な要件を緩和することで、彼らは最新の天文学的測定値とより良く一致する、新しい可能性のセットを生成しました。

研究者たちは、強力な統計的手法を用いて、数千もの考えられるシナリオを精査しました。彼らはモデルの主要な材料として、まず2つを用いました。一つは星の外層に見られる通常の物質の記述、もう一つは中心部にある潜在的なクォーク物質の記述です。そして、これらのモデルを現実世界のデータに基づく厳格なチェックリストに対してテストしました。このチェックリストには、核物質の既知の特性、NICER X線望遠鏡によって観測された特定の数個の中性子星の正確な質量とサイズ、そしてLIGOおよびVirgo観測所によって検出された2つの中性子星の衝突の詳細が含まれていました。以前の研究では、彼らはモデルが巨大なクォーク核を持つように強制しており、それによって通常の物質からクォーク物質への転移が比較的低い密度で起こるようになっていました。今回の新しい研究では、その特定の制限を取り除きました。彼らは依然として、最も重い星が内部にいくらかのクォーク物質を持つことを要求しましたが、その核のサイズが極小から巨大までどのようなものであってもよいとし、データに何が最も可能性が高いかを決定させました。

この新しいアプローチの結果は驚くべきものでした。クォークの核がより小さいことを許容したモデル（チームが「SmallQ」セットと呼んだもの）は、以前のモデルよりも半径がわずかに小さく、変形しにくい中性子星を生成しました。これにより、新しいモデルはNICER望遠鏡からの実際の観測結果や重力波データに対して、はるかに優れた適合性を示しました。大きな核を持つ以前のモデルでは、通常の核物質からクォーク物質への転移は、通常の原子核密度の約2倍から2.5倍の密度で起こっていました。より成功した新しいモデルでは、この転移は星のより深い部分へと押し込まれ、通常の核密度の3倍から4.5倍の間の密度で起こっていました。この転移の遅れは、星の通常の物質の殻がより厚いことを意味し、エキゾチックな核はより小さく、場合によっては最も重い星においてさえほとんど存在しないことを意味します。

この相転移のタイミングの変化は、星の内部組成も変えました。大きな核を持つモデルでは、クォーク物質はアップクォークとダウンクォークによって支配されていました。しかし、より小さな核を持つ新しいモデルでは、より重い種類のクォークであるストレンジクォークがはるかに豊富になり、核の組成のより大きな割合を占めるようになりました。興味深いことに、新しいモデルは、太陽の2倍の重さがある最も重い中性子星のいくつかは、クォーク物質をほとんど、あるいは全く含んでいない可能性があることを示唆しています。これは、最も重い星は必ず必然的にエキゾチックな物質によって支配されているはずだという考えに異議を唱えるものです。むしろ、これはクォーク物質への転移は、極限の圧力下でのみ起こる、あるいは観察されている最も重い星の中には起こらないこともある、稀なイベントであることを示唆しています。

研究はまた、中性子星の質量が増加するにつれてそのサイズがどのように変化するかについても調査しました。通常の物質のみで構成される星の場合、半径は星が重くなるにつれて縮小する傾向があります。エキゾチックな物質を持つ星の場合、その関係はより複雑になり得ます。研究者たちは、新しいモデルのセットにおいて、かなりの数の星が、より低い質量において質量-半径関係の正の勾配を示したこと、つまり重くなるにつれてわずかに大きくなることを発見しました。しかし、太陽の1.8倍の質量においては、これらのモデルの大部分が予想通りの「縮小」という挙動に戻りました。これは、大きな核を持つ彼らの以前のモデルでは、高い質量においても正の勾配が一般的であったため、極めて重要な区別となります。新しいモデルが、高質量において標準的な縮む挙動を主に示しながら、同時に観測データにも適合しているという事実は、私たちが目にしている星を説明するために、大きなクォーク核の存在は必須ではないことを示唆しています。

結局のところ、この研究は宇宙で最も密度の高い物質に関する私たちの理解を洗練させるものです。クォーク核のサイズを大きくすることを強制するのではなく、自由に変化させることで、研究者たちは、私たちが観測している宇宙とより一致する一連のモデルを見出しました。これらのモデルは、もし中性子星の心臓部にクォーク物質が存在するならば、それはおそらく非常に小さな領域に限定され、密度が極限レベルに達したときにのみ現れるであろうことを示唆しています。今回の知見はクォーク物質の存在を否定するものではありませんが、このエキゾチックな状態への転移は、以前考えられていたよりも達成するのが困難であることを示唆しています。天文学者が中性子星のサイズと質量のより精密なデータを集め続けるにつれて、これらの洗練されたモデルは、これら巨大な天体の核が、長年理論化されてきた奇妙で自由に動き回るクォークでできているのか、それとも私たちの世界を構成しているものと同じ馴染みのある物質で構成されたままなのかを判断するための、重要なガイドとして機能することでしょう。