中性子星とパルサー

中性子星は、太陽の質量を都市サイズの球体に詰め込んだもので、中性子縮退圧と核力によって支えられています。それが回転し、放射線をビーム状に放出するとき、私たちはそれをパルサーとして観測します。

Definition

中性子星は、原子核の数倍の密度を持つコンパクトな恒星残骸であり、主に中性子縮退圧と核力によって支えられています。パルサーは、急速に回転し、強く磁化された中性子星であり、放射線のパルスとして観測されます。

Scope

このトピックでは、中性子星のコア崩壊型超新星における形成、その内部構造と未解明な高密度物質の状態方程式、中性子星の最大質量、回転駆動型パルサーとその精密な時計としての利用、そしてマグネターの極端な磁場について扱います。

Core questions

• 中性子星はどのように形成され、何によって支えられていますか？
• 中性子星の内部の物質はどのようなものですか？
• パルサーはなぜ規則的なパルスを放出するのですか？
• 中性子星が持ちうる最大質量はどれくらいですか？

Key concepts

• 中性子縮退
• 状態方程式
• パルサー
• 磁気双極子
• スピンダウン
• マグネター
• グリッチ

Key theories

中性子縮退と高密度物質の状態方程式

中性子星は、中性子縮退圧と反発する核力によって支えられています。その構造は、核密度を超える物質の状態方程式から導かれ、質量と半径の関係および最大質量を決定します。

パルサーの回転磁気双極子モデル

パルサーは、強力で傾いた磁場がその極に沿って放射線のビームを集中させる、高速で回転する中性子星です。星が回転するにつれてビームが地球を横切り、観測される時計のようなパルスを生成し、同時に磁気制動によって回転が徐々に減速します。

Mechanisms

大質量星の鉄のコアが崩壊すると、電子が陽子と結合して中性子を形成し、コアは跳ね返って直径約20キロメートルの中性子星になります。角運動量と磁束の保存により、中性子星は巨大な磁場を持ちながら高速で回転し続けます。磁力線に沿って加速された荷電粒子は、パルスとして観測されるビーム状の放射線を生成し、磁気トルクがその回転エネルギーをゆっくりと消費します。

Clinical relevance

中性子星は、超核密度における物質や強重力場を研究するための自然の実験室です。ミリ秒パルサーは原子時計に匹敵する精度を持ち、一般相対性理論の検証や重力波の探索に利用されています。また、中性子星の合体は重元素を生成し、検出可能な重力波信号を発します。

History

バーデとツビッキーは1934年に中性子星を提唱し、オッペンハイマーとヴォルコフは1939年にそのモデルを構築しました。ジョスリン・ベル・バーネルは1967年に最初のパルサーを発見しました。パチーニとゴールドはすぐにパルサーを回転する磁化された中性子星であると特定し、カニ星雲超新星残骸のパルサーによってこの見解が裏付けられました。

Debates

中性子星の状態方程式と最大質量

核密度を超える物質の挙動、したがって中性子星の最大質量やクォーク物質などのエキゾチックな相の存在の可能性は、依然として不確かです。質量と半径の測定、および重力波観測によって、可能性は着実に絞り込まれています。

Key figures

• Jocelyn Bell Burnell
• Antony Hewish
• Fritz Zwicky
• Franco Pacini

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

なぜこれほど小さいものがこれほど重いのですか？

中性子星では、重力によって物質が原子核の密度に匹敵するかそれを超える密度にまで圧縮されているため、その物質のティースプーン一杯で数十億トンもの重さになります。これにより、太陽質量を超える物質がわずか約10キロメートルの半径内に収まります。

なぜパルサーはこれほど規則的にパルスを発するのですか？

パルサーは磁極から狭いビーム状の放射線を放出します。中性子星は高速かつ安定して回転するため、ビームが地球を横切るたびにパルスが記録され、パルサーは知られている中で最も精密な自然の時計の一つとなっています。