中性子星合体

中性子星の合体は、中性子星同士の恒星衝突です。2つの中性子星が互いの軌道に入ると、重力波として放出されるエネルギーの損失により、徐々に内側に螺旋状に落下します。^{[ 1 ]}最終的に衝突すると、合体によってより質量の大きい中性子星が形成されるか、残骸の質量がトルマン・オッペンハイマー・ボルコフ限界を超えるとブラックホールが形成されます。合体は、わずか1～2ミリ秒で地球の磁場の何兆倍もの磁場を生み出す可能性があります。^{[ 2 ]}この直後の現象は、数億光年、あるいは数十億光年にわたって観測可能な短時間のガンマ線バースト（sGRB）を引き起こします。^{[ 3 ]}

中性子星の合体は、一時的に極めて強い中性子束の環境を作り出し、r過程が起こる可能性がある。^{[ 4 ]}この反応は、鉄より重い元素の同位体の約半分の核合成を説明する。 ^{[ 5 ]}

合体ではキロノバも生成されます^{[ 6 ]。}キロノバは、合体過程で生成および放出される重いr過程原子核の放射性崩壊による等方性で長波長の電磁放射の一時的な発生源です^{[ 7 ]} 。キロノバは、1998年にこの反応が初めて提案されて以来、r過程の発生場所として議論されてきましたが^{[ 8 ]} 、2017年にマルチメッセンジャーイベントGW170817が観測された後、そのメカニズムは広く受け入れられるようになりました。

^2017年8月17日、LIGOとVirgoの干渉計は、地球から約1億4000万光年離れたうみへび座の楕円銀河NGC 4993で発生した連星中性子星（ ^{BNS ）系}の合体に伴う重力波GW170817を観測した[9]。 ^{[ 10 ]} GW170817は、GW合体信号の1.7秒後に初めて検出された短い（約2秒間の）ガンマ線バーストGRB 170817Aと、その11時間後に初めて観測された可視光観測イベントSwope Supernova Surveyイベント2017a（SSS17a）と同時に発生した^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。}

GW170817とGRB 170817Aが空間的にも時間的にも同時発生していることから、中性子星の合体が短いガンマ線バーストを生成することが一概に証明された。その後、GW170817とGRB 170817Aが発生したことが知られている領域でSSS17a ^{[ 16 ]}が検出され、キロノバの予想される特徴を備えていることから、中性子星の合体がキロノバの原因でもあることが示された。^{[ 17 ]}

2018年、天文学者たちは、2015年に検出されたはるかに遠方の短いガンマ線バーストGRB 150101Bも中性子星の合体の結果である可能性があると報告した。ガンマ線、光、X線放射、および関連する宿主銀河の性質に関して、このイベントとGW170817との類似性は「驚くべき」と特徴づけられ、中性子星の合体とそれに伴うキロノバは、これまで考えられていたよりも宇宙でより一般的である可能性があることを示唆している。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}同年後半、Zwicky Transient Facilityは重力波イベントによって引き起こされる追跡観測のための追跡ネットワークに参加した。^{[ 22 ] [ 23 ]}

また同年、科学者たちは重力波イベント（特にGW170817のような中性子星の合体を伴うもの）からの情報を用いてハッブル定数を決定する新しい方法を発表した。ハッブル定数は宇宙の膨張率を定めるものである。^{[ 24 ] [ 25 ]}ハッブル定数を求める従来の2つの方法（1つは赤方偏移に基づくもの、もう1つは宇宙距離梯子に基づくもの）は、約10%の差がある。この差、ハッブル張力は、キロノバを別の種類の標準光源として使用することで解消できる可能性がある。^{[ 26 ]}

2019年4月、LIGOとVirgo重力波観測所は、2つの中性子星の合体である可能性が99.94%ある候補事象GW190425の検出を発表した[ 27 ^{]。広範囲}にわたる追跡観測にもかかわらず、電磁波の対応天体は特定されなかった^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]。}

2022年12月、天文学者たちはGRB 211211Aを51秒間観測したと報告した。これは「コンパクト連星天体」の合体に伴う長時間のGRBの最初の証拠であり、BNSが含まれる可能性もある。 ^{[ 31 ]}これに続いて、GRB 191019A（2019年、64秒）^{[ 32 ]}とGRB 230307A（2023年、35秒）は、長時間のGRBの起源として、この新たなクラスの中性子星合体に属すると主張されている。^{[ 33 ]}間接的な推論には、キロノバの同時観測、例えば2023年のイベントのスペクトル残余におけるテルルとランタニドの検出などが含まれる。 ^{[ 34 ]}

中性子星の合体は、地球上の生命に有害となる可能性のある非常に多様な放射線を放出します。これには、最初の短いガンマ線バースト、sGRBの繭によって散乱された重元素の放射性崩壊からの放出^{[ 36 ] [ 37 ]}、sGRBの残光自体^{[ 38 ]}、爆発によって加速された宇宙線などが含まれます。到着順に、(無害な)重力波が最初に到着し、sGRBと残光の光子が数秒から数時間後に到達し、宇宙線粒子が数百年から数千年後に到達します。

指向性の高いsGRB成分の致死領域は、そのビームの方向に沿って数百パーセクに及ぶ。^{[ 39 ]}これらの高エネルギーガンマ線光子は、熱ストレス、分子の分解、植物と動物の両方に対する最終的な放射線損傷を通じて、生命を直接的に消滅させるだろう。

指向性sGRBビームの不運な直撃を除けば、地球から10パーセク以内で発生する中性子星の合体も人類の絶滅を招くだろう。^{[ 40 ]}放出された物質は星間物質を掃き集め、致死量の宇宙線を含む超新星残骸のような泡を作り出す。地球がこの残骸に飲み込まれた場合、これらの宇宙線はオゾン層を破壊し、地球の生物群系を太陽からの致命的なレベルのUVB放射にさらすだろう。^{[ 41 ]}また、それらは大気と相互作用し、弱い相互作用をするミューオンを生成する可能性もある。これらの生成された粒子のフラックス密度は、洞窟の奥深くや水中にまで浸透し、惑星を滅菌するのに十分である。生命に対する危険は、粒子がDNAを破壊し、先天異常や突然変異を引き起こす能力にある。^{[ 42 ] [ 43 ]}

超新星爆発と比較すると、連星中性子星（BNS）合体はほぼ同じ体積の空間に影響を与えますが、発生頻度ははるかに低いと考えられており、最も危険なsGRB成分はビームが地球に正確に向けられる必要があります。したがって、BNSイベントが人類の絶滅に及ぼす全体的な脅威は極めて低いと言えます。^{[ 40 ]}

• 関連動画（2017年10月現在） ):
  • AAAS (02:42)のYouTube
  • カルテック（03:56）YouTube
  • MIT (00:42)のYouTube
  • SciNews (01:46)のYouTube