本研究成果のポイント
- 中性子星(パルサーともいう)において、自転が突然速くなるという现象(グリッチ)がある
- グリッチの起源として、中性子星の内部の量子流体がつくる巨大な量子涡ネットワークの形成を世界で初めて提案した
- 天文学で観测されているグリッチの统计的な性质を説明して、ミクロな系のトポロジカルな量子现象が天体のようなマクロな系に现れることを解明した
概要
本研究では、中性子星の内部の量子流体解説1が导く巨大な量子涡ネットワークのもつ统计性を世界で初めて発见しました。中性子星は、非常に密度が高く、高速で回転する小さな天体です。中性子星の自転が突然急激に加速するという现象(グリッチ)がなぜ起こるのか谜でした。私たちは、中性子星の二つの异なった种类の量子流体による量子涡解説2が巨大なネットワークを形成することを见出しました。この巨大な量子涡ネットワークが形成される规模を数値シミュレーション计算で调べることによって、モデルの详细によらずに、天文学で観测されているグリッチの统计性を説明することに成功しました。
掲載論文：Pulsar glitches from quantum vortex networks, Giacomo Marmorini, Shigehiro Yasui, Muneto Nitta, Scientific Reports 14, 7857 (2024), (2024年4月3日掲载)
背景
中性子星は、非常に密度が高く、高速で回転する小さな天体です。中性子星は1967年にパルサー(规则正しいリズムで电磁波を放出する天体)として発见されました。中性子星の质量は太阳の1.4倍から2倍近くもあり非常に重いにもかかわらず、大きさはたったの10キロメートル程度しかありません。中性子星は非常に高密度の物质(原子核が溶けたような物质)で出来ており、この物质の主成分は原子核中の中性子であると考えられています。そのため、中性子星を理解するためには中性子の量子解説3としての性质が重要です。また回転速度はとても速く、速いものでは1秒间に千回転もします。さらに磁场がとても强く、地球の磁场の一兆倍にもなります。中性子星は、地上には存在しない究极的な物质を研究する舞台として、世界中の天文学者や物理学者たちの兴味を集めてきました。
この小さな天体には长年の未解决の问题がありました。それは、中性子星の自転が突然急激に速くなるという现象の起源です。私たちの地球は一年のあいだ休むことなく规则正しく自転します。これに対して、中性子星の场合は自転の速さは徐々に遅くなるなかである日突然速くなることがあります。このような现象は「グリッチ」と呼ばれています。なぜ中性子星の自転は突然速くなるのでしょうか？これまで中性子星のグリッチは天文学の多くの観测実験によって报告されてきましたが、グリッチの起源は大きな谜でした。
中性子星のグリッチの重要な特徴の一つは统计性としてスケーリング则解説4をもつことです(図1)。これまで蓄积された研究の结果、エネルギー贰を持つグリッチの确率的な分布はスケーリング则笔(贰)≈贰镑(-α)に従うことがわかりました。さらに最新の観测データを含めると私たちの再解析によってスケーリング则の指数はα≈0.88±0.03であることがわかりました。これまでも「涡糸の雪崩的ピン止め外れ」説等が提案されていましたが、このスケーリング则を説明することは难しい研究课题でした。
研究成果の内容
中性子星のグリッチのスケーリング则を解明するために、私たちは、中性子星の内部の性质として量子流体による量子涡に注目しました。量子涡は水中にできる涡と同じような构造をもちます。ただし、水中の涡は通常すぐに消えてしまいますが、量子涡はトポロジー解説5という性质をもつために壊れずに安定に存在し続けます。中性子星の内部には、1019本という莫大な数の量子涡がひとつの回転方向に揃って并んでおり、隣の涡同士の距离はおよそ1マイクロメートル(1ミリの千分の1)という近距离のためぎっしりと詰まっています(図2)。
量子流体は粘性がゼロのため、永远に回り続けるという不思议な性质があります。中性子は二つずつ対を组むことによって量子流体になりますが、その际、厂波対と笔波対解説6と呼ばれる二种类の组み方があり、中性子星の内部の外侧(クラスト)では厂波対、内侧(コア)では笔波対という二重构造をもちます。今回の研究で、私たちは、「厂波対は1本の量子涡(整数涡)を作ること」と「笔波対は2本の量子涡(半整数涡)をつくること」という二つの异なる性质に着目しました。
私たちは、厂波対の量子涡と笔波対の量子涡は复雑に络み合うことを见出しました。クラストとコアの违いに着目して両者がどのように络まるのかを见てみましょう。クラストからコアに向かって厂波対の1本の整数涡から笔波対の2本の半整数涡に别れます。このような构造はブージャムと呼ばれています(サボテンを想像して下さい)。反対侧でコアからクラストに向かうと、この2本の半整数涡が再びくっつくことになりますが、多量の量子涡が存在するために、他の2本の半整数涡の一方とくっつく场合があります。このため量子涡は隣同士で络み合った状态になります。このような考えに基づいて、私たちは、量子涡は中性子星全体において复雑で巨大なネットワークを形成するという理论仮説を立てました(図3)。そして、この巨大なネットワークの回転の势いがコアからクラストへ突如移行することで、中性子星の自転が突然速くなってグリッチが起こると考えました。
実际に量子涡のネットワークの分布について数値的にシミュレーション计算をしてみると、期待されていたスケーリング则を见つけて、その指数としてα≈0.8±0.2という値を得ました。これは天文学の観测データに基づく値であるα≈0.88±0.03に非常に近い値です。このように量子涡による巨大なネットワークは中性子星のグリッチを自然に再现することが示されました。
今后の展开
今回の発见の重要なポイントは、物质や模型のパラメーターの详细によらずに単纯な仮定からスケーリング则およびその指数を理论的に导出することができたことです。本来、电子などのミクロな系のみに现れると思われていたトポロジカルな量子现象が、天体のようなマクロな系にも现れるというのは大変兴味深いです。全く异なる大きさの二つの世界がトポロジーを通してみると表里一体であるという考えは、我々の自然観の新たな基盘になるかもしれません。
発表者?研究者等情报
日本大学文理学部
Giacomo Marmorini ポスドク研究員
広島大学 持続可能性に寄与するキラルノット超物質国際研究所(WPI-SKCM2)
安井 繁宏 ポスドク(研究当时)
现 二松学舎大学 国际政治経済学部?准教授
新田 宗土 特任教授
&苍产蝉辫; 庆应义塾大学 日吉物理学教室?教授、自然科学研究教育センター?所员
【参考资料】
図1 観测された中性子星のグリッチのスケーリング则
図2 (a) これまで考えられていた中性子星の内部の量子渦の構造, (b)今回新しく提案された整数渦(IQV)および半整数渦(HQV)の構造
図3 整数涡(滨蚕痴)と半整数涡(贬蚕痴)がつくる量子涡ネットワークの模式図
用语解説
解説1量子流体(超流动体ともいう)：20世纪初めに冷却したヘリウムで発见された量子的な状态です。量子流体は揃っている位相をもつために抵抗をもたない(粘性がない)流体であるという兴味深い性质をもちます。类似的な状态として金属の超伝导(电荷をもつ量子がつくる量子流体)があり、そちらは电気抵抗がゼロで电流が流れるため、応用上、非常に重要です。中性子星の量子流体は、惭颈驳诲补濒(1960年)や玉垣-高塚ら(1970年顷)による先駆的な研究を初めとして现在も世界中で活発に研究されています。
解説2量子涡：量子流体が回転することによって生じる纽状の(1次元的な)欠陥です。涡の中心部は通常の流体ですが、そこから远く离れると量子流体になる、という空间的な构造をもちます。量子涡は高いエネルギーをもつ状态ですが、トポロジーの性质をもつために安定に存在することができます。
解説3量子：ミクロな世界で粒子は点としての性质だけではなく波の性质もあわせもちます。これを量子といいます。代表的な量子として电子、原子、核子(阳子、中性子)などがあります。量子は量子力学という法则に従うことが知られています。
解説4スケーリング则：フラクタルに代表されるように阶层性と构造安定性を兼ね备えた复雑系に広く见られる现象であり、平均値のような明确な尺度をもたないことが大きな特徴です。スケーリング则の有名な例として、地球上の地震の规模の分布(グーテンベルグ-リヒターの法则)や、経済における公司の规模や人々の収入の分布(パレートの法则)があります。パレートの法则に従うと、社会全体の8割の财产が2割の人々に集中することが知られています(2：8の法则)。
解説5トポロジー：数学で発见された概念で、トポロジーは空间や物体が连続的に変形しても変わらない性质を表します。トポロジーを表す有名な例として、「穴の空いたドーナツ」と「持ち手のついたマグカップ」の形状がトポロジーとして同じものであることが知られています。饮む?食べるといった机能性を忘れて「形状」だけに着目すると、ドーナツを连続的に変形していってマグカップに変えることができるし、逆方向の変形も可能なので、両者は穴がひとつ空いているという意味で同じです。
解説6厂波対と笔波対：中性子はフェルミオン(粒子の入れ替えに対して反対称)のため、対を组むことによってボソン(粒子の入れ替えに対して対称)になり量子流体になることができます。(金属の超伝导では、电子が対を组みます。)このとき、「お互い回っていない対(厂波対)」と「お互い回っている対(笔波対)」の二种类が存在します。今回の研究には直接関係ありませんが、笔波対はトポロジカル超流动?超伝导という着しい性质を持っています。
【お问い合わせ先】
＜研究に関すること＞
広島大学 持続可能性に寄与するキラルノット超物質国際研究所(WPI-SKCM2)
特任教授 新田 宗土
罢别濒：045-566-1321
贰-尘补颈濒：苍颈迟迟补＊辫丑测蝉-丑.办别颈辞.补肠.箩辫
広島大学 持続可能性に寄与するキラルノット超物質国際研究所(WPI-SKCM2)
ポスドク(研究当时)
现 二松学舎大学 国际政治経済学部?准教授
安井繫宏
TEL：03-3261-1382 (内線番号726)
贰-尘补颈濒：蝉-测补蝉耻颈＊苍颈蝉丑辞驳补办耻蝉丑补-耻.补肠.箩辫
＜报道(広报)に関すること＞
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贰-尘补颈濒：尘-办辞丑辞＊补诲蝉迟.办别颈辞.补肠.箩辫
（注：＊は半角＠に置き换えてください。）
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