中性子星の宇宙ダンス：GW190425

2019年4月25日、科学者たちはGW190425という重要な出来事を発見した。これは2つの中性子星が合体したものだった。中性子星は超新星爆発した巨大星の非常に密度が高い残骸。GW190425は、一般的な中性子星ペアよりも総質量が大きいことから、その起源についての議論が盛んになっている。

この出来事は、2つの星が互いに回っているバイナリー進化というプロセスに関連している。特にGW190425は、ヘリウム豊富な星と中性子星という近接ペアから来たと考えられていて、共通のエンベロープ相という段階を経たばかりだった。研究者たちは、こうした中性子星ペアがどのように形成されるのか、特に私たちの太陽系に似た環境でどうなるのかを理解したいと思っている。

#星の進化と質量移動

バイナリ星の研究は、これらの星がどのように進化し、時間とともに相互作用するかを見ることが多い。GW190425の場合、MESAというコンピュータコードを使った詳細なアプローチが、これらの星がどのように変化するか追跡するのに役立っている。重要な要素には、質量の喪失、回転、相互作用が含まれる。

質量移動が起こるバイナリーシステムでは、一方の星がその伴星から物質を引き寄せることができる。特にヘリウム豊富な星から中性子星に物質が移動する場合、質量移動には異なる段階があり、それぞれ異なる挙動を示す。たとえば、ケースBBとケースBCの質量移動は、星のライフサイクルの異なる段階で起こる。

安定した質量移動のシナリオでは、ヘリウム豊富な星が徐々に物質を失うことができ、その構造を変える可能性がある。中性子星に近づくにつれて、2つの星は重力相互作用を通じてエネルギーを交換し、回転や全体の進化に影響を与えることができる。

#GW190425の形成シナリオ

GW190425の直接の前駆体は、中性子星と相互作用しているヘリウム豊富な星で構成されている。このようなシステムが形成されるためには、質量と距離に関する特定の初期条件を満たさなければならない。これらの初期条件をモデル化することで、研究者たちは、GW190425のペアに進化するためには特定の特性から始める必要があることを結論づけている。

ヘリウム豊富な星から中性子星に移動した質量は、中性子星の特性に大きな変化をもたらす可能性がある。中性子星が十分に速く回転すると、強い磁場を持つ磁気星、つまりマグネターになる可能性がある。

#観測と予測

GW190425は、宇宙イベントからの信号を捉えるために設計された重力波検出器の観測運転の第3回目に発見された。このようなイベントを研究する際の課題の一つは、遠くで発生するため、可視光のような他の光スペクトルで観測するのが難しいことだ。

今のところ、GW190425のような重いバイナリー中性子星システムは、合体による爆発であるキロノバのような弱い後続効果を生み出すと考えられている。これらの後続効果はイベントの理解に手がかりを提供するが、GW190425の場合、光信号は弱くて検出が難しかった。

研究者たちは、GW190425は孤立したバイナリー進化を通じて形成された可能性が高いと提案している。つまり、中性子星とヘリウム豊富な星は、他の星からの大きな外部影響なしに、予測可能な段階を経て移行した。進化により、1つの星が超新星を経て中性子星に変わり、ヘリウム豊富な星は生涯を通じて成長し変化した。

#質量移動のメカニズム

質量移動の間、ヘリウム豊富な星は大きく膨張する、特に炭素燃料が枯渇した後。この膨張は、星が十分に近い場合、ヘリウム豊富な星が中性子星に物質をこぼすことを示唆している。さまざまな形の質量移動はさまざまな結果を生む。

ケースBBの質量移動は、寄付星が外層でヘリウムを燃焼させているときに発生し、ケースBCの質量移動は、星のコアで炭素が点火しているときに起こる。これらのプロセスは、どれだけの質量が交換され、両方の星のその後の進化にどのように影響するかを決定づける。

この質量移動は複雑な相互作用を引き起こし、二重中性子星システムの形成を促すことがある。重力波は最終的にこれらのシステムを合体させ、この合体がGW190425で検出されたものだ。

#温度と組成の役割

これらのシステムの星の進化に影響を与える重要な要素の一つは金属量で、これは水素とヘリウムより重い元素の豊富さを指す。低い金属量は、重い中性子星システムの形成を促進することが考えられている。星の初期質量が調整されたり、金属量などの条件が変わったりすると、最終的な結果に大きな影響を与える可能性がある。

前駆体星の初期質量と温度は、どのようなイベントを生み出すかを予測するのに役立つ。これらの星を研究することで、さまざまな条件がGW190425のようなシステムの形成にどのように寄与するかについての洞察を得ることができる。

#マグネターの関連

この研究の面白い点の一つは、新たに形成された中性子星がマグネターになる可能性があることだ。これらの宇宙の物体は非常に密度が高いだけでなく、行動に大きな影響を与える強い磁場を持っている。中性子星が伴星から十分な質量を蓄積すれば、より速く回転し、マグネターとして分類されるほど強力な磁場を発展させるかもしれない。

このマグネターとの関連は、重力波イベントの理解に複雑さを加える。そうした星は、中性子星の合体に伴うさまざまな種類の超新星爆発を引き起こす可能性がある。

#ヘリウムエンベロープと放出質量

超新星が発生する前に、残ったヘリウムエンベロープの質量は、爆発に何が起こるかについての重要な情報を提供する。超新星を経る前のヘリウム豊富な星に残される質量は、その初期条件によって異なる。この残りの質量は、結果的な爆発の特性を示唆することができる。

残されたエンベロープが軽いほど、質量特性に基づいて特定のタイプの超新星、特にタイプIbとタイプIcを引き起こす可能性が高い。研究により、GW190425は質量移動プロセスとヘリウム豊富な星の構造変化に起因する爆発イベントに関連している可能性が示唆されている。

#結論

要するに、GW190425のような出来事の形成は、中性子星とそのヘリウム豊富な伴星との相互作用に関わっている。これらの相互作用は、ライフサイクル全体を通じて大きな変化を引き起こし、マグネターやユニークな超新星の形成といった興味深い結果をもたらす。

研究は、異なる初期条件や進化の道筋がこれらの宇宙イベントにどのように寄与するかを解明し続けている。これらのプロセスを理解することで、GW190425の説明に役立つだけでなく、大質量星システムや中性子星、そしてそれらが生み出す重力波に関する宇宙全体の挙動への洞察を提供する。