不均衡な死んだ星のペアは宇宙の秘密の一部を明らかにするかもしれない

数光年離れた場所で、崩壊した2つの星が「死のダンス」を繰り広げているところを想像してください。最後の抱擁は衝突で終わります。約5億年後、天文学者はまさにこのシナリオがPSR J1913+1102として知られるシステムで起こると予想しています。2つの中性子星が衝突し、宇宙全体に震えが広がります。空間と時間の構造が重力波の形で波打つでしょう。

連星系の多くは、非常に狭い軌道に固定された、同程度の大きさの中性子星が 2 つある。しかし、PSR J1913+1102 には、質量が太陽の 1.62 倍と 1.27 倍の、質量の異なる中性子星が 2 つ (うち 1 つはパルサー) 含まれている。このため、この連星系は「これまでに報告された中で最も非対称な合体系」であると、この系と差し迫った衝突を詳述した、水曜日にネイチャー誌に掲載された研究論文で述べられている。

この珍しい、不均衡な星系は、宇宙がどれだけ速く分裂しているのかなど、宇宙の最も解明が難しい謎のいくつかを解くユニークな機会を提供します。

これまで発見された、合体する可能性のある他の二重中性子星系はすべて、ほぼ等しい質量の星で構成されていたと、この研究には関わっていないマックス・プランク重力物理学研究所の研究者コリン・カパノ氏は言う。「この[新しい]観察は、中性子星連星の形成方法について私たちが立てたいくつかの仮定を再考させると同時に、私たちが答えるべき新たな疑問も生み出すことになるだろう。」

中性子星は、はるか昔の超新星爆発の残骸である超高密度の物質です。脈動する中性子星は、その名の通りパルサーと呼ばれます。これらの星は、回転しながら、灯台の光線のように目に見える宇宙の花火を噴き出し、最終的には地球上の電波望遠鏡によって光のパルスとして検出されます。

パルスの正確なタイミングを記録することで、イースト・アングリア大学の物理学者でこの研究の主著者であるロバート・ファードマン氏のような研究者は、将来のパルスを予測することさえできる。「そうすることで、実際に中性子星の回転を追跡することができ、それを「時計」として利用して、（星の）質量などさまざまなことを決定するのに役立つ」とファードマン氏は言う。

英国のイースト・アングリア大学が率いる国際的な科学者グループは、銀河面の大規模調査の一環としてプエルトリコのアレシボ天文台が収集したデータを活用しました。この新しい研究では、PSR J1913+1102のような奇妙な星のカップルが他にも存在すると推定されています。中性子星の合体全体の10分の1以上が非対称です。

この発見は、過去の天文学的出来事の理解を深めるのにも役立つ。2017年8月17日、私たちは天文学の歴史における分岐点を目撃した。世界中の研究者が、先進レーザー干渉計重力波観測衛星（LIGO）とそのイタリアの姉妹検出器Virgoを使用して、約1億3000万光年離れた2つの超高密度中性子星の破滅的な衝突を目撃した。GW170817として知られるこの壮大な出来事は驚くべきものではなかったが、衝突によって放出された膨大な量の物質（予想の約5倍）は謎のままだった。

合体する2つの天体の重さは合計すると太陽の約2.8倍になるが、2つの中性子星の個々の質量は不明だ。GW170817は他のシナリオでも説明できるが、研究者らは、今週のネイチャー誌に掲載された2つの天体のように、質量の大きく異なる天体の合体によって、予期せぬ物質が放出された可能性があるとしている。「質量の大きい星の重力作用によって質量の小さい星が引き裂かれると、宇宙に放出される物質はもっとたくさん出てきます」とファードマン氏は言う。

この研究には関わっていないLIGO科学コラボレーションの天体物理学者ヴィッキー・カロゲラ氏は、この結果は非常に刺激的だと語る。この発見が壮大なGW170817イベントと「見事に」一致しているだけでなく、PSR J1913+1102のような他の非対称システムが存在することが救いだと彼女は付け加えた。

こうした種類の連星系を検出することで、宇宙の構造がどれだけ速く膨張しているか、つまりハッブル定数と呼ばれる論争の多い数値を決定するのにも役立ちます。

この数値を突き止めることで、宇宙の起源、年齢、進化、そして最終的には宇宙の運命について多くのことがわかる。しかし、この数値を測定する最も正確な 2 つの方法、つまり近くの点滅する星からの光と宇宙で観測可能な最古の光を見る方法は、奇妙なことに 8 パーセントの食い違いがあり、互いに矛盾している。ハッブル定数を計算する 3 番目の独立した方法がこの溝を埋めるのに役立つ可能性があり、フェルドマン氏と同僚は非対称合体が鍵になるかもしれないと期待している。「この方法は行き詰まりを打破するのに役立つかもしれません」とフェルドマン氏は付け加える。

中性子星の衝突は、宇宙の究極の錬金術師でもあり、金のような宇宙で最も重い元素を作り出します。天文学者や物理学者は何十年もの間、これらの恒星の死骸に驚嘆してきましたが、中性子星の内部は完全には理解されていません。中性子星、特に非対称の中性子星の大規模な衝突により、科学者はこれらの極端に密度の高い天体の内部を構成するエキゾチックな物質に関する重要な手がかりを得ることができるかもしれません。

こうした宇宙に関する疑問に対する明確な答えは、さらなる検出によってのみ得られるだろう。その間、ファードマン氏と彼の同僚は、PSR J1913+1102 を重力に関する理解をテストするための遠隔実験室として利用したいと考えている。