質量ギャップ：中性子星とブラックホール

宇宙にはいろんなタイプの星があって、中には中性子星になるものもあれば、ブラックホールに崩壊するものもある。でも、典型的な中性子星と恒星質量のブラックホールの間には変な質量のギャップがあるんだ。このギャップは完全に空っぽじゃないけど、何がこの現象を引き起こしてるのかはまだはっきりしていない。最近の説明では、特に星の死に際に爆発する仕方に焦点を当ててる。

大きな星が核燃料を使い果たすと、重力に対抗できなくなって崩壊し、超新星爆発が起こる。これらの爆発が起こる方法はいくつかあって、2つの主要な理論がある。一つは遅延ニュートリノ爆発メカニズムで、もう一つはジッタリングジェット爆発メカニズム（JJEM）だ。この2つの理論は、星のコアがどのように崩壊し、その崩壊が爆発につながるかに注目している。

JJEMは、爆発中に放出される物質のジェットに注目してる。中性子星が崩壊したコアから形成されると、周りの物質を引き寄せることができる。この蓄積プロセスには角運動量が関係していて、これは物質の動きに影響を与える回転力なんだ。JJEMでは、新しく形成された中性子星に影響を与える2つの主要な角運動量の源がある：方向が変わるランダムな成分と、崩壊前の星の回転から来る一定の成分だ。

星が崩壊する前にゆっくり回転していると、ランダムな角運動量が中性子星の周りに不規則な構造を作ることがある。これらの構造は、物質のジェットがいろんな方向に放出される原因になる。これは重要で、ジェットが全方向に放たれると、周りの物質を押し出して中性子星を残すからだ。

逆に、星が崩壊する前に早く回転していると、状況が変わる。角運動量は整列したままで、ジェットは主にこの安定した軸に沿って向かう。結果的に、物質は側面から中性子星に落ち続け、質量を増やしてブラックホールになるまで蓄積される。

この2つの状態の間の移行は、比較的狭い範囲に収まっている。この移行は重要で、中性子星とブラックホールの間の質量ギャップに見られる物体のまばらな集まりを説明するのに役立つ。これは、爆発後に星が異なる最終状態に至る条件の微妙なバランスを示している。

中性子星からジェットが放たれると、それがどれだけの質量が残るかを決定する重要な役割を果たす。外向きに向けられたジェットの場合、周りの物質を効果的に押し出して中性子星を形成する。一方で、ジェットが赤道領域を避けると、そこでは物質を押し出さず、より多くの質量が蓄積されて中性子星がブラックホールに変わる。

角運動量の方向が変わるのは、崩壊前のコアでのランダムな変動によるものだ。この変動は、対流や不安定性によって引き起こされることがある。星が崩壊するにつれて、これらの物質の動きが増幅されて不規則なジェット形成が生じる。

これらの変動によって、ジェットが異なる方向に放たれる状況ができるけど、角運動量が安定したままの期間もある。そうなると、ジェットが周囲の赤道領域から物質を排出できず、物質が引き寄せ続けられて中性子星がより多くの質量を得ることがある。

全体のプロセスは複雑で、理解するには星が時間とともにどのように進化するかのさまざまなシナリオを見る必要がある。中性子星の質量が増えると、その運命も変わる。ジェットはエネルギーをシステムから運び去り、このエネルギーは起こる爆発的なイベントに影響を与える。

中性子星が形成されるとき、長く中性子星のままでいるわけじゃないかもしれないってことを理解するのが重要だ。もし周囲から急速に質量を得始めたら（蓄積のおかげで）、最終的にはブラックホールに変わる閾値を越えることがある。このシステムのフィードバックメカニズムは重要で、ジェットが効率的なときは、中性子星を生む超新星イベントに繋がる。一方で、ジェットが非効率的で質量が蓄積を許すと、ブラックホールが形成されることになる。

さらに、星の周りの物質の性質も問題を複雑にする。コアが崩壊してジェットが放出されると、物質の流れのダイナミクスが変わる場合がある。一部の研究では、特定のシナリオでは、特定の角運動量がディスク状の構造を形成するために必要な典型的な閾値を下回ってもジェットが放たれ続けることができると示唆している。

ジェットの分布も重要だ。赤道面に向かって放たれるジェットは、極に沿って放たれるときと異なる周囲の物質に影響を与える。ジェットの角度は、星が爆発する前の条件に応じて大きく変わる。これらの分布を理解することで、科学者たちはなぜ特定の質量が他の質量よりも頻繁に観測されるのかを解明するのに役立てている。

ジェットは爆発イベントの結果を決定する重要な役割を果たす。ジェットは超新星の多くの観測特性を説明できる。たとえば、なぜある超新星が他のものよりもエネルギッシュに見えるのか、そしてそれが球対称性からどのように逸脱するのかを説明することができる。

この調査は、中性子星とブラックホールの間の質量ギャップを引き起こすメカニズムに光を当てている。角運動量、ジェットのダイナミクス、星の崩壊時の条件の相互作用が結果を形作る。中性子星が周囲の物質をジェットを通じて効率的に排出できれば、それは中性子星のまま残る。しかし、条件が質量が蓄積されるのを許せば、中性子星はすぐにブラックホールに進化する。

結論として、中性子星とブラックホールの間の質量ギャップは、星の進化と死を支配するプロセスへの窓を提供する。この異なる爆発メカニズムは、なぜある星が中性子星に進化し、他の星が最終的にブラックホールになるのかを理解するための枠組みを提供する。角運動量とジェットのダイナミクスのさまざまな役割は、この宇宙の謎を把握するのに非常に重要だ。科学者たちは、引き続き研究と観察を通じて、これらの星の現象に対する理解を深めていく。