下では地震があり、上では「星震」があるのですか?二人は実は「偶然」

著者: 王維洋(中国科学院大学天文学・宇宙科学学院)

ご存知のとおり、固体地球自体は硬く、重力負荷がある臨界値に達すると破壊が起こり、地震災害につながります。同様に、太陽と同等の質量を持つ固体惑星の内部応力の蓄積が限界を超えた場合にも、星震が自然に発生することがあります。興味深いことに、現在の研究では、多くの極端な天体物理学的イベント（パルサー周期の遷移、高速電波バースト、ガンマ線バースト、中性子星の爆発やフレアなど）の原因は、このタイプの星座現象と密接に関連している可能性が高いことが示唆されています。最近、科学誌「サイエンス・チャイナ：物理学、力学、天文学」に関連研究の進歩をレビューした論文が掲載されました[1]。

日常の物質は、その構成単位（原子や分子）が電磁相互作用によって凝縮され、液体または固体の形で存在します。ユニット間の相互作用が無視できる場合、それはガスとして現れます。原子核は、核子（陽子と中性子の総称）を単位とする液体だが、強い力によって凝縮されていると一般に考えられています。しかし、大質量星の形成と進化を考慮すると、自己重力が支配的な力となり、「原子核が結合した」高密度の天体が形成されることになります。このタイプの天体は部分的または完全な固体構造を持ち、しばしば星震プロセスを引き起こします。間違いなく、固体地球物理学の成熟した理論と方法は、このタイプの恒星震学の研究においてその地位を確立し、他の人々にとっての参考となるでしょう。

強い重力場下における高密度物質の状態は、基本的な強い相互作用の低エネルギー挙動を含む、現在の物理学と天文学の焦点の 1 つです。大質量の主系列星が核エネルギーを使い果たすと、中心核領域にこのような高密度物質で構成された天体が誕生します。コンパクトな天体の質量が十分大きくなく、その自己重力がブラックホールに崩壊するほど強くない場合、星の中心にあるすべての原子核が圧縮され、ランダウが「巨大核」と呼んだもの、つまり観測されるパルサーとして現れる可能性があります。

低エネルギーの強い相互作用に関する知識の限界により、このタイプの極度に高密度の物質の性質はまだ解明されていないものの、多くの極端な天体物理学的現象が巨大原子核と密接に関連していることを示す明確な観測的証拠がある。地球と同様に、パルサーは部分的に、あるいは完全に固体の構造をしていることが多いです。内部応力の蓄積が一定の臨界値に達すると、星震が自然に発生します。違いは、パルサーは地球よりも高い重力、密度、磁場を持っているため、星震活動ははるかに激しい天体活動を引き起こすということです。私たちは地震学と天体物理学の融合を推進し、より高精度なマルチメッセンジャー天文観測によって巨大核の性質が最終的に明らかになり、低エネルギーの強い力に対する理解が深まることを期待しています。

図1. 軽いフレーバーのクォーク（u、d、s）の三角形[1]。三角形内のグレースケールは、バリオン成分の電荷質量比 R を表します。原子核は点 A の近くにあり、R ≃ 1/2 です。中性子星（n 点）とストレンジ星（s 点）内の重粒子成分は、電気的にほぼ中性です。点 A の原子核に似た点 s に位置する基本単位は、ストレンジオンと呼ばれます。

1931年初頭、ランダウはボーアとローゼンフェルドと会話を交わし、興味深い話題について言及した[2]。重力崩壊により原子核が圧縮され、最終的に「巨大核」が形成され、そこでは電子が陽子にしっかりと結合して過剰な運動エネルギーを得るのを防ぐというものである。この巨大な核は後に「中性子星」という用語で知られるようになり、「パルサー」（1967年に発見）の本質であると考えられるようになりました。しかし、巨大核の場合、第一世代のクォークの範囲内では、電気的中性とクォークフレーバー対称性は、両方の長所を兼ね備えることはできません。 1960 年代以降、素粒子物理学の標準モデルの発展と成功により、ストレンジネスは徐々に注目されるようになりました。この自由度の導入により、巨大核は両方の長所、すなわちクォークのフレーバー対称性と電気的中性を同時に維持できるようになりますが、価クォークのフレーバーの数は「2」から「3」に拡張する必要があります。巨大核内の、原子核内の核子に似ているが、ストレンジネス数がゼロでない単位を「ストレンジオン」と呼びます (図 1)。確かに、パルサーが伝統的な中性子星なのか、それともストレンジン星なのかはまだ不明です。

現代の地震学の発展は 20 世紀初頭に始まりました。非常に有名な地震の例としては、1906 年のサンフランシスコ地震 (図 2) があります。地震後、地震によって数百キロメートルに及ぶ巨大な亀裂が生じたことが判明し、地震は断層のずれによって発生したと判定されました。サンフランシスコ地震の後、学界は弾性反発理論を提唱した[3]。この理論では、断層には地殻応力が継続的に加わり、その応力が十分に大きなレベルに達すると、断層面が不安定性により破壊されると考えられています。破壊によって発生した振動が周囲の媒体（地震波）に伝播し、災害を引き起こします。地震の破壊後、断層の両側の媒体は地殻応力によって負荷され続け、地震サイクルの後に次の地震の破壊が形成されます。地震サイクルは何度も繰り返され、何千回もの地震サイクルを経て、断層は現在見られる複雑な形状を形成しました。

(a) 1906 年のサンフランシスコ地震によって生じた地表破壊。 (b) 2016年ニュージーランドのカイコウラ地震による地表破壊。 (c) 弾性反発モデルの模式図[1]。

地震と同様に、星震もエネルギーの放出と慣性モーメントの突然の変化を引き起こし、パルサーの回転周期の急激な変化（グリッチ）として現れます。これは殻のエネルギー放出に関係していると考えられており[4]、固体のストレンジレターは固体殻のみを持つ中性子星よりも周期ジャンプの振幅と間隔を説明するのに役立ちます。 2021年12月11日には、短時間ガンマ線バーストGRB 211211Aで同様の前駆放射線が検出され、前駆放射線では準周期振動（QPO）も観測された[5]。

この恒星地震モデルを固体ストレンジレット星のいくつかの振動モードの特性周波数と組み合わせると、ストレンジレット星とブラックホールの合体プロセスを使用して、前駆放射の全エネルギー放出と準周期振動の周波数を理解することができます[6]。同様の振動パターンは、地球規模の地震学における主要な研究テーマでもあります。さらに、地震の頻度と数の間にあるような統計的関係が、高速電波バーストの多くの統計的研究（グーテンベルク・リヒターの法則や大森の法則など）で発見されており[7]、コンパクト星の星震が、コンパクト星の周期的ジャンプや準周期振動などの現象を伴って、高速電波バーストを引き起こす可能性が非常に高いことを示しています。

コンパクト天体の恒星地震プロセスは地震活動と多くの点で類似しており、この 2 つの間に密接な関係があるのではないかと疑われています。確かに、この記事の議論は非常に推測的ですが、両者をより適切に比較するには、宇宙からより多くの情報を収集する必要があります。新世代の天文機器は私たちに驚きをもたらし、恒星地震学の研究を促進するかもしれません。今後、観測現象がさらに豊富に蓄積されることにより、地震理論に基づく恒星地震モデルがさらに改良され、極端な天文現象の理解が進むものと期待し、信じています。

【参考文献】

ルー・ルイペン、ガオ・ヨン、フー・ヤン 他地震から星震まで。中国の科学：物理学、力学、天文学、2024年、54(8):289501。

ランダウ L D. 星の理論について。物理。 Zs Sowjet、1932年、1、285。

リード H F. 地震のメカニズム、1906 年 4 月 18 日のカリフォルニア地震。研究上院委員会報告書、カーネギー研究所、ワシントン DC、1910 年、2: 16-18。

Baym G、Pines D. 中性子星震とパルサーの加速。 Annals of Physics、1971年、66、816。

Xiao S、Zhang YQ、Zhu ZP 他連星中性子星合体による長時間ガンマ線バーストの準周期振動前駆現象、ApJ、2024、970、6。

Zhou EP、Gao Y、Zhou YR、他GRB211211Aの前兆：潮汐による巨大地震？ RAA、2024、24、025019。

Wang W、Luo R、Yue H、他FRB 121102: スタークエイク誘発リピーター? ApJ、2018、852、140。