中性子星合体の謎を解く: ニュートリノの相互作用と天体物理学の新たな洞察

Tokyo2つの中性子星が接近してお互いに引き寄せられ、合体することがあります。これらの星は非常に密度が高くコンパクトで冷たい状態にありますが、互いに衝突すると、触れた部分は極めて高温になります。新しいシミュレーションによって、この現象の詳細が明らかになってきました。

何が起こるのかというと、次の通りです。

• 高温なニュートリノが生成されます。
• これらのニュートリノは、熱と密度によって閉じ込められることがあります。
• ニュートリノは星の物質と弱く相互作用します。
• この相互作用が、粒子を平衡状態へと戻す手助けをします。

ペンシルベニア州立大学とUCバークレーのポストドクトラル研究者であるペドロ・ルイス・エスピーノは、ペンシルベニア州立大学の物理学者のチームと共に研究を主導しました。彼らの研究結果は『フィジカル・レビュー・レターズ』に掲載されました。エスピーノは、2017年に初めて重力波を含む連星中性子星の合体からの信号を検出したことを指摘し、この発見が連星中性子星の研究への関心を大いに高めたと述べました。

ペンシルベニア州立大学の助教授であるデイビッド・ラディス氏は、ニュートロン星は主にニュートロンでできており、非常に高密度で、衝突すると極めて高温になることを説明しています。光子が外に逃げて冷却できないため、代わりにニュートリノを放出します。

研究の重要なポイントは以下の通りです。

• ニュートリノは、星の中で中性子が互いに衝突し、プロトン、電子、ニュートリノに分解されるときに生成されます。
• ニュートリノは、2～3ミリ秒の間、その融合による熱と密度によって閉じ込められることがあります。
• この段階は短いですが、合体現象の物理を理解するために重要です。
• 相互作用するニュートリノは、地球上で観測される信号の種類に影響を与える可能性があります。

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この研究では高性能なコンピューターを用いて、2つの中性子星が合体する際の現象とその物理を調査しました。研究者たちは、合体により発生する熱と密度によってニュートリノが一時的に閉じ込められ、星内の物質と相互作用することがあると発見しました。

ラディーチェ氏によれば、これらのイベントを研究することで、「新しい物理」について理解を深めることができると言います。不均衡のフェーズはわずか2〜3ミリ秒続くだけですが、その短時間に重要な物理現象が起こります。システムが再び均衡状態に戻るとき、その物理の理解がより明確になります。

エスピノ氏によれば、ニュートリノと星の物質の相互作用が、合体後の残骸の振動に影響を与える可能性があるとのことです。この振動は、地球で観測される光や重力波の信号にも影響を与えることがあります。将来的には、これらの信号の違いを検出するための新しい装置が開発される可能性があります。

研究チームは、ペンシルベニア州立大学のポスドク研究員であるピーター・ハモンドとロセッラ・ガンバ、ドイツのフリードリヒ・シラー大学イエナのセバスティアーノ・ベルヌッツィ、フランチェスコ・ザッパ、ルイス・フェリペ・ロンゴ・ミッキ、およびイタリアのトレント大学のアルビーノ・ペレゴから構成されていました。この研究は、米国国立科学財団、米国エネルギー省、ドイツ研究振興協会、そして欧州連合から資金を受けて行われました。

シミュレーションは、Bridges2、Expanse、Frontera、そしてPerlmutterといったスーパーコンピュータを使用して行われました。また、国立エネルギー研究科学コンピューティングセンターのリソースも活用されました。著者たちは、LeibnizスパーコンピューティングセンターのSuperMUC-NGでの計算時間の提供と資金援助をしてくれたGauss先端研究センターに感謝の意を表しています。