中性子星内部の状態を実験室で再現、硬さを測定

【2021年5月18日 理化学研究所】

寿命を迎えて超新星爆発を起こした大質量星が残す中性子星は、質量が太陽と同程度ながら半径は約10kmしかない。中心部の密度は1cm³あたり1兆kg（原子核密度の5～7倍）に達しており、宇宙で最も高密度な天体だ。

中性子星の表面は原子核や電子からなり、内部に進むにつれて原子核が融けて中性子を主とする一様な高密度物質になると考えられているが、詳しい内部構造はわかっていない。というのも、中性子星内部の状態を実験室で安定的に作り出すことは不可能だからだ。その代わりに、加速した原子核を別の原子核に衝突させて高密度状態を作り出すという方法があるものの、生成される高密度核物質が一瞬で崩れるため、衝突でどんな物質ができたかを調べるのは困難だった。

米・ミシガン州立大学のJustin Esteeさんたちの国際共同研究グループでは、原子核の衝突時に放出される「荷電パイ中間子」を測定する3次元時間射影型飛跡検出システム「SPiRIT」を開発し、これを用いて日・理化学研究所の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー」で原子核衝突実験を行った。荷電パイ中間子は中性子や陽子を結びつける力を介在する粒子の一つであり、生成された高密度物質に関する情報を含んでいる。

原子核同士の衝突により高密度物質が生成され、荷電パイ中間子が放出されるイメージイラスト（提供：Erin O'Donnell, 米国FRIB）

衝突させる原子核としては、中性子を多く含む安定同位体を作りやすいスズが選ばれた。スズ原子核を別のスズ原子核にぶつけることで、瞬間的に原子核密度の1.5～2倍の密度が実現する。中性子が多いスズ同位体同士を衝突させた場合と少ないもの同士を衝突させた場合で放出される荷電パイ中間子の違いを比較したところ、1.5倍原子核密度における中性子核物質の硬さ（圧力）は(2±1.5）×10²⁹気圧であることがわかった。これはダイヤモンドと比べると25桁も大きな数値だ。

SPiRITで測定された荷電パイ中間子のエネルギー分布比。（左）中性子が多い高密度核物質、（右）中性子が少ない高密度核物質。赤線と青線は理論モデルによる状態方程式（物質の硬さ）の大小の違いを、実線と破線は質量パラメーターの違いを示す。実験値（黒丸）との比較から、青線と赤線の中間値がもっともらしいことがわかり、硬さの違いを理論モデルと比較することで、1.5倍原子核密度における中性子核物質の硬さが導き出された（提供：理化学研究所リリース）

今回の実験で、従来よりも高い精度で中性子星の内部状態が求められた。中性子星の内部構造の理解にとどまらず、中性子星合体や超新星爆発における元素合成過程を数値計算する上で必須の情報が得られたことになる。ただし、中性子星の中心密度は今回再現した状態よりさらに大きい。今後、より高密度かつ中性子のより多い原子核物質を測定することで、中性子星の中心部に迫ることが期待される。