About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
約百年ごとに 銀河系のどこかで大質量星が 燃料を使い果たします これは高温と圧力が 何百万年も続いた後で その恒星の水素が核融合を起こし へリウム、炭素、窒素のような重い元素を経て 鉄に変化した際に起こります その構造を支える 十分なエネルギーを作れないため 重力崩壊により 超新星爆発を起こします その恒星の内部にあったものは 宇宙に飛び散り 銀河系に重元素の種を撒きます しかし この大爆発が残した物は さらに驚くべきものです 物質でできた球体は高密度なので 原子を構成する電子が 量子軌道から 原子核の深部へと崩壊します その恒星の終焉は 中性子星の誕生です 知られている中で 宇宙で最も高密度の天体の1つで 極めて高密度に凝縮された物質でできた 未知の物理学の実験室です
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
でも 中性子星とは何でしょうか? 内部では 陽子と電子が融合して 中性子となり 超流動体という摩擦の無い液体を形成し これが殻で囲まれている コンパクトな球体を考えてみてください これは超高密度で 貨物を満載したコンテナ船の質量を 1本の髪の毛の大きさに圧縮したものや エベレスト山の質量を角砂糖1個分に 圧縮した密度と等しくなります その電子殻の深部では 中性子の超流体が異なる相を形成します 物理学者はそれを 「原子核パスタ」と呼んでいます ラザニアからスパゲティに 変化させたみたいなものです
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
中性子星になる大規模な予兆は しばしばスピンが起こることです 恒星が崩壊するとき 一般的に 数百万kmの大きさの恒星は わずか25km程度の大きさの 中性子星へと圧縮されますが 恒星が最初にもっていた 角運動量は保存されます フィギアスケーターが 両手を内側に寄せると 回転が加速するのと同じ理由で 中性子星は元の恒星よりも ずっと高速に回転します 最速の中性子の回転記録は 1秒間に700回転で つまり 表面上の1点が 光速の5分の1以上で 空間中を回転しています 中性子星はまた 知られる限りの天体の中で 最強の磁場を持っています この集中した磁力が渦を形成し 磁極から電磁波を放射します 磁極同士を結ぶ線は 常に中性子星の 自転軸と一致しているとは限らず 電磁波は灯台の光のように回転し 地球から見ると 瞬きしているようです これをパルサーと呼びます 1967年に天体物理学者の ジョスリン・ベルが この興味深い点滅信号を発見し 事実上 最初の間接的な中性子星の 発見となりました 猛烈に回転する中性子星も 晩年には何十億年かけて遅くなります 電磁波や重力波の形をとって エネルギーを放射していくからです
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
しかし 全ての中性子星が 静かに消滅するわけではありません 例えば 中性子星が 別の恒星と共軌道をとる― 連星系が観測されており 中性子星が 軽い伴星を糧として 弱く束縛された大気を たんさん食べ 最終的にはブラックホールへと 壊滅的な崩壊を起こします
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
多くの恒星が連星系をなしていますが その内わずかなものだけが 2つの中性子星からなる連星系として ワルツのように互いの周囲を回り 最後に1つに合体します 最終的に衝突する時に 時空に重力波を送りだします それは 静かな湖に石を投げて 水面にさざ波が広がるかのようです
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
アインシュタインの一般相対性理論は この現象を100年以上も前に 予言しましたが 直接的に実証されたのは 2017年に 重力波観測所のLIGOとVIRGOが 中性子星の衝突を観測した時でした 他の望遠鏡は 同じ衝撃から発させられた ガンマ線、閃光 後れて X線、電波信号などを検出しました それは天文学史上 最も研究がなされた事象となりました そこから貴重なデータが得られ 重力波の速度を突き止め 天文学の重要な理論を裏付け 金やプラチナなどの重元素の 起源の証拠を掴むのに役立ちました
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
中性子星はまだ秘密を 隠し持っています LIGOとVIRGOは より多くの衝突を 検知するため改良中です それは高密度で パルスを発生しながら回転する― 磁場をもったこのような天体の 壮絶な終焉が 宇宙について語ってくれることを もっと学ぶのに役立つことでしょう