崩壊した星の心臓に隠された創世記の遺産
中性子星は既知の宇宙で最も極端な天体の一つです。超新星爆発時の巨大な恒星核の激しい崩壊から生まれ、太陽より大きな質量を都市ほどの大きさの球体に圧縮し、極めて極端な密度を生み出しており、その内部の物質の性質さえ不確定です。現在、増加する理論的および観測的証拠は、中性子星の核が、宇宙がマイクロ秒の年齢であった以来自由に見られていない物質の状態を含む可能性があることを示唆しています：quark-gluon plasma（クォーク・グルーオン・プラズマ）、ビッグバンの原始物質です。
Quark-gluon plasmaは、宇宙が100万分の1秒より若く、温度が数兆度を超えていた時代に存在していた物質の相です。これらの条件下では、クォーク（陽子と中性子の基本的な構成要素）は複合粒子内に閉じ込められていませんが、強い核力を仲介するグルーオンとともに、熱く密集した粥状物質の中に自由に存在します。宇宙が冷えると、クォークは陽子、中性子、その他のハドロン内に永久に閉じ込められ、quark-gluon plasmaは自然条件では自由な相として存在しなくなりました。
ただし、中性子星の内部ではおそらく例外です。計算は、中性子星の核が個々の核子間の境界を溶かすのに十分な高さの密度に達する可能性があることを示唆しています。クォークが自由に彷徨う条件を再現する — 初期宇宙の熱いプラズマとは異なるが、同じ基本物理に支配される、冷たく密集したクォーク物質の形です。これを確認することは、現代の天体物理学および核物理学における最も重大な発見の1つを表すでしょう。
これまでの証拠
中性子星内のクォーク物質の証拠は、複数の間接的な方向から来ており、どれも単独では決定的ではありません。最も強力な制約はLIGOとVirgoによる中性子星合体の重力波観測からもたらされます。2つの中性子星が螺旋を描いて融合するとき、彼らが発する重力波は恒星の内部構造についての情報を伝えます — 特に相互の重力場での変形可能性、潮汐変形性と呼ばれる特性についてです。GW170817のランドマークイベントから測定された潮汐変形性は、中性子星の状態方程式を、一部の理論モデルが恒星核内のクォーク物質の存在によって最も自然に説明されることを示唆するような方法で制約しました。
中性子星の質量と半径のX線観測は補完的な制約を提供します。国際宇宙ステーション上のNICER機器は、複数の中性子星のサイズを十分な精度で測定し、それらの内部構造を制約しました。質量と半径の組み合わせた測定は、いくつかの理論的な状態方程式を除外し、他のものを好み、妥当な内部組成の範囲を狭めることができます。現在のNICERデータはクォーク物質を決定的に特定していませんが、既知の最も密度の高い中性子星に存在することと一致しています。
課題は、中性子星の内部は直接観測にアクセスできず、中性子星密度での物質の動作の理論的計算が極めて困難であることです。量子色力学（QCD）—クォークとグルーオンの相互作用を支配する理論—は、原子核で見出される密度および初期宇宙のquark-gluon plasmaの極端な密度でlattice QCD法を使用して計算的に解くことができますが、中性子星の核に対応する中間密度は、現在の理論的方法が信頼できないレジームに留まります。不確実性は物理学の失敗ではなく、計算の真の限界です。
