大きな中性子星はなぜトゥーシーポップのようなのでしょうか?

地球は荒れ狂う極限の宇宙の中で穏やかなオアシスであり、中性子星ほど極限の天体はほとんどありません。これらの天体は、ある質量の星が死ぬと形成され、その中心核が崩壊して、太陽数個分の質量を都市ほどの大きさの球体に詰め込みます。その内部では、私たちが知っている原子、つまり電子の空気の雲に囲まれた陽子と中性子の密集した粒は存在しなくなります。重力によって原子の中心が押しつぶされ、中性子が肩を並べて立ちます。質量がさらに増えると、星はブラックホールに崩壊し、原子は視界から消えてしまいます。

「中性子星は、物質が圧倒的な重力に最後の抵抗をする場所である」とカリフォルニア州立大学フラートン校の天体物理学者ジョスリン・リードは書いている。

天文学者はさまざまな方法で中性子星を検出できるが、その内部で正確に何が起こっているのかはよくわかっていない。だが、数十年にわたる研究を経て、最近の観測と理論的進歩から、これらの天体は呼び名を変える必要があるかもしれないことが示唆されつつある。月曜日に「ネイチャー・フィジックス」誌に発表された研究によると、最も重い星のいくつかは硬い中性子の球ではなく、トゥーシー・ポップスに似ているかもしれないという。つまり、「クォーク物質」と呼ばれるネバネバした中心のエキゾチックな物質を、カリカリの中性子の殻が取り囲んでいるということだ。研究者らは激しい粒子衝突でクォーク物質を作り出したが、中性子星が自然界で亜原子粒子を完全に粉砕できるかどうかについては長い間議論されてきた。研究チームの結論が正しければ、陽子と中性子が圧力下でどのように振る舞うかについての新たな理解となり、さまざまな金属が地球にたどり着いた経緯に新たな解釈がもたらされる可能性がある。

「中性子星の中にクォーク物質が存在する可能性を示唆する兆候が見られました」と、論文の共著者で欧州原子核研究機構（CERN）の素粒子物理学者であるアレクシ・クルケラ氏は言う。「とても興奮しています。」

中性子星は、星が完全に諦めることなくとれる最もワイルドな形態であり、物質に関する最良の理論を限界まで引き伸ばします。低エネルギー衝突実験では（したがって物質の密度も低い）、陽子と中性子はビリヤードのボールのように互いにきれいに跳ね返ります。このような条件下では、1立方センチメートルあたり最大数億トンの密度で、中性子は硬い構成要素としてくっつき合います。

奇妙なことに、物理学者たちは、言葉では言い表せないほど高密度のときに何が起こるかも知っています。特に高エネルギーの衝突実験では、低エネルギーの衝突実験に比べて何百倍もの粒子が同じ空間に詰め込まれ、陽子と中性子は崩壊します。その内部にあるクォークとグルーオンと呼ばれる粒子は、クォークグルーオンプラズマと呼ばれるスープ状の物質として完全に溢れ出します。これはいわゆる「クォーク物質」の一種です。

しかし、その中間の密度で何が起きているのかは不明だ。実験は困難で、中性子が完全に溶けずに柔らかくなると数学的ツールは機能しない。そして中性子星は理論上のクレバスの真ん中に落ちるため、天体物理学者はその中心核で中性子に何が起きるのかを何十年も考え続けている。中性子星はレゴのように固いままなのか？それともブドウのようにつぶれてクォークが流れ出るのか？（物理学者が中性子星について話すとき、馴染みのある言葉は新しい、非常に相対的な意味を帯びる。最も軽く、最も冷たく、最も柔らかい中性子星でさえ、地球上のどの星よりもはるかに密度が高く、熱く、硬いだろう）。

クルケラ氏と彼の同僚たちは、ようやく点と点を結びつけるのに十分な情報を得たと考えている。中性子星研究の究極の目標は、特定の密度と温度で物質がどれだけ押し返すかを正確に判断すること、つまり基本的に中性子の硬さや柔らかさを測定することだ。研究チームは50万以上のモデルを検討し、さまざまな観測結果を用いてそれらのモデルに疑問を投げかけた。

密度の高い側では、天文学者は太陽の約2倍の質量を持つ重い中性子星を発見しており、これはそのような重量を支えるにはある程度の硬さが必要であることを示唆している。その一方で、研究者たちは、それぞれ太陽の約1.5倍の質量を持つ密度の低いペアの合体から生じる重力波の轟音を検出した。重力の力によって星が近づくにつれて膨らむ（または膨らまない）様子を観察することで、物理学者は星の大きさや柔らかさについてより多くの情報を得ることができる。重要なことに、チームはクォークとグルーオンの理論から外挿する数学的計算も追加し、中性子星の音速（硬さの別の尺度）を予測した。

厳しい試練が終わったとき、生き残ったモデルは明確な答えを出しました。小さな中性子星はおそらく完全に中性子です。しかし、ブラックホールになる寸前の最も重い既知の星は、真ん中が柔らかくなるはずです。これは明らかに中性子がクォークに道を譲る兆候です。「クォーク物質のように見えるものは、おそらくクォーク物質です」とクルケラは言います。

他の物理学者たちは、この研究グループの研究の徹底ぶりを称賛した。「これは、これらすべてを総合的に検討し、これらのクォーク物質核がほぼ確実に存在すると大胆に主張した初の論文です」と、カリフォルニア州立大学フラートン校の重力波研究者フィリップ・ランドリー氏は言う。「これは本当に限界を押し広げ、私たちが知っていることの見直しを迫っています。」

しかし、彼はこれで事件が完全に解決したとは完全には確信していない。ランドリー氏とその同僚は最近、国際宇宙ステーションから中性子星の追加観測を組み込んだ同様の分析を完了した。彼らの研究は中性子星の音速が速いことを裏付け、クォーク物質コアの可能性を低くする可能性のある硬さを示唆している。

中性子星観測のカタログが拡大すれば、将来的にはこうした分析が強化されるだろう。そして中性子星の理論が改良されれば、地球上のはるかに柔らかい物質にも大きな影響が及ぶだろう。

金やプラチナのようなよく知られた元素は、おそらく中性子星の衝突で生成される。この理論は、2017年に望遠鏡で捉えられた合体の重力波検出によって立証された。もしあなたが高級ジュエリーを身につけているなら、その原子のほとんどはおそらくまさにそのような衝突で形成され、クォークは中性子星の中心核に存在していた可能性がある。しかし、それらの原子のうちどれだけが衝突から来てどれだけが他の場所から来たかは、中心核がパリパリしていたか、ベタベタしていたかによって決まるとランドリー氏は言う。