1立方センチメートルの中性子星物質が地球に到達した場合、大気圏で燃え尽きてしまうのでしょうか、それとも地球を突き破ってしまうのでしょうか?

この記事は、ネットユーザーからの同様の質問に答えることに基づいています。

中性子星物質は中性子星環境から分離できず、地球に来ることもないので、完全に燃焼できるかどうかという問題はなく、この問題には解決策がありません。

中性子星は通常の星のカテゴリーには属しません。星が死んだ後の残骸、あるいは死体とも言えるもの。恒星の死骸には、黒色矮星、白色矮星、中性子星、ブラックホールの 4 種類があります。黒色矮星は低質量の赤色矮星の残骸です。赤色矮星の寿命は非常に長いため、そのような死体はまだ存在していません。白色矮星は太陽のような小型から中型の恒星の死骸です。宇宙には数多くの恒星が存在し、全恒星数の約 10% を占めています。中性子星は太陽の8～30倍の質量を持つ中～大質量の星の死骸であり、ブラックホールは太陽の30～40倍以上の質量を持つ星の死骸です。

白色矮星と中性子星の物質は特別な縮退物質である

いわゆる縮退状態とは、極度の圧力下で、地球の通常の物質を構成する原子が押しつぶされ、特殊な高密度物質になることを意味します。原子はもともと原子核と外側の電子で構成されています。原子核は原子の質量の 99.96% を占めますが、その体積は原子の数千億分の一から数兆分の一にすぎません。

これは、原子核と電子の外殻の間に巨大な空間があることを意味しており、原子が押しつぶされると、物質は非常に高密度になります。白色矮星や中性子星の物質密度が極めて高いのはこのためです。

量子力学におけるパウリの排他原理によれば、フェルミオン粒子は、遊ぶときに群がることを嫌がり、近づくと互いに反発する子供たちと同じように、相互反発する性質を持っています。電子、陽子、中性子はすべてフェルミオン粒子です。そのため、原子の電子の外殻が押しつぶされると、これらの素粒子は互いに反発し合い、近づかないようにするのです。この相互反発により、縮退圧力と呼ばれる一種の圧力が生じます。

深くなるほど縮退圧力は大きくなります。白色矮星は、巨大な重力圧を支えるために電子の縮退圧に依存しています。つまり、原子の電子殻はまだ存在しますが、圧縮されています。ある程度まで圧縮されると、電子間の不適合性によって一定の支持力が形成され、重力圧に抵抗して原子核と電子の間に一定の空間が維持され、原子核はそのままの状態を保ちます。このように、白色矮星の密度はわずか1〜10トン/cm^3であり、中性子星の密度よりもはるかに小さいです。

白色矮星が太陽の質量の1.44倍であるチャンドラセカール限界に達すると、電子の縮退圧は増加した重力圧を支えることができなくなります。電子の縮退圧が破壊され、電子と原子核の間の空間が消滅します。電子は無力に原子核に圧縮されます。

電子は負に帯電し、原子核内の陽子は正に帯電します。原子の外周にある電子の数は、原子核内の陽子の数とまったく同じです。正電荷と負電荷が中和されると、陽子は中性子になります。原子核はもともと中性子と陽子が強い力で結合したものです。今では陽子も中性子になり、地球全体が完全に中性子で構成された大きな中性子核になっています。したがって、この惑星は中性子星です。

中性子間の中性子縮退圧は電子間の中性子縮退圧よりも強く、中性子星の形状をかろうじて支えています。したがって、中性子星の密度は原子核の密度と同等か、あるいは原子核よりもさらに密度が高いのです。この種の物質は中性子縮退物質と呼ばれます。

白色矮星は地球とほぼ同じ大きさで、質量は太陽の0.5～1.44倍です。中性子星の質量は太陽の1.44倍から3倍ですが、半径はわずか約10kmです。その結果、その密度は白色矮星よりもはるかに高くなり、1立方センチメートルあたり約10億トンに達します。

中性子星の質量が大きくなり、太陽の約3倍以上のオッペンハイマー限界に達すると、中性子同士の反発力によって形成される中性子縮退圧が強い重力圧を支えられなくなり、急激に圧縮されてしまいます。専門用語では、崩壊または崩壊と​​呼ばれ、より深い縮退圧力によって支えられたクォーク星になるか、直接ブラックホールに崩壊します。

今のところ、クォーク星の存在は発見されていないため、中性子星の質量がオッペンハイマー限界を超えると、直接ブラックホールに崩壊すると一般に考えられています。

いわゆるチャンドラセック限界やオッペンハイマー限界、そしてパウリの排他原理については、過去の記事で何度も紹介されているので、ここでは繰り返さないことにします。

中性子縮退物質は中性子星の外には存在できない

白色矮星と中性子星の形成に関する上記の条件から、電子縮退物質も中性子縮退物質も、それらの存在条件がなければ独立して存在することはできないと結論付けることができます。なぜなら、特定の条件から外れると、それらがもたらす巨大な重力圧力は存在しなくなり、これらの物質は縮退圧力を維持できなくなるからです。代わりに、それらは急速に膨張して原子状態に戻り、地球上に存在する中性原子で構成された通常の物質になります。

白色矮星や中性子星は極めて過酷な環境にある天体です。現在の人類の科学技術力では、遠くから観察することしかできず、近づくことはできません。特に中性子星は非常に恐ろしい天体です。その重力はブラックホールに次ぐものです。表面重力は地球の数千億倍に達することがあります。最大脱出速度は光速の半分、つまり 150,000 km/s に達する必要があります。

宇宙船は言うまでもなく、人が中性子星の重力に捕らえられて引っ張られ、最終的に中性子星の表面に高速で衝突した場合、そのエネルギーは数億トンの高性能爆薬の威力、つまり広島型原爆2万発分の威力に達する可能性がある。この恐ろしい爆発でさえ、中性子星の強力な重力によって抑制され、それが作り出す波の高さは塵の粒よりも小さくなります。

中性子星の温度は数千億度から数兆度に達し、表面大気圧は地球の中心核の圧力の10^21倍（10兆倍）にもなり、磁場は地球の数十億倍にもなります。中性子星は元の恒星の角運動量を継承するため、一般的に高速で回転し、最も速いものは毎秒数千回転に達することもあります。磁極が回転軸から一定の角度でずれているため、回転する灯台のように強力な電磁パルスが宇宙空間に連続的に広がります。地球を通過すると、電波望遠鏡によって捉えられ、パルサーとして発見されます。

したがって、いわゆるパルサーとは、宇宙を横切って飛び回り、人間が捉えた中性子星の電磁パルス信号に付けられた名前です。

強い重力と圧力という極限の状況下では、中性子星の表面は非常に滑らかで、塵ひとつ存在しません。中性子星から物質がどうやって落ちていくのでしょうか?

中性子星を離れた後の中性子縮退物質の変化

これまでのところ、中性子縮退物質が中性子星から脱出する比較的確実な方法は、中性子星同士の衝突だけです。中性子星が降着によって質量の上限に達したときに爆発し、中性子縮退物質が中性子星から放出されるかどうかについては、これまでのところ観測データや研究データはありません。

2017年8月17日、科学者たちは地球から1億3000万光年離れた2つの中性子星の衝突によって生じた重力波を発見し、強力なガンマ線バーストを観測した。科学者たちは科学的モデリングを通じて、2つの中性子星の衝突の破片である重力波イベントGW170817によって、水素やヘリウムなどの軽元素と、金、銀、銅、鉄、タングステン、ニッケル、鉛などの重金属元素が形成されたと考えています。このイベントで発見された金の重量は地球の質量の300倍に相当します。

地球の質量の 300 倍は多いとは思わないでください。中性子星の損失としてはほんのわずかな量です。中性子星の質量の下限は太陽の質量の1.44倍ですが、地球の質量は太陽のわずか33万分の1です。 2つの中性子星の衝突により、地球の質量の300倍が吹き飛ばされたが、これは中性子星の総質量のわずか数千分の1に過ぎない。

中性子縮退物質が中性子星を離れ、強い重力圧の制約を失うと、通常の物質になることがわかります。しかし、分離したからといって突然元の姿に戻るわけではありません。プロセスがあります。まず、弾き飛ばされた中性子縮退物質は、中性子星の重力圧から離れると急速に膨張し、膨張した体積は元の大きさの数千倍から数万倍に達します。この拡大は当然爆発を伴いますが、これが最初の爆発です。

最初の爆発の後、この時点での物質は通常の物質ではなく、まだ中性子状態にある中性子のクラスターにすぎません。

このとき、内部でベータ崩壊が起こっています。このプロセスには約 15 分かかります。このプロセスが完了すると、より大きな膨張、つまりより激しい爆発が起こります。爆発により物質は元に戻り、中性原子で構成される地球上に存在するさまざまな物質が形成されます。

地球上の金などの貴金属は、主に宇宙でのこのような出来事から生まれたと一般に信じられています。これらの貴金属は宇宙に漂い、地球の形成時に地球深部に凝縮されたり、隕石の形で地殻に入ったりします。今日でも、宇宙を漂うこれらの貴金属は、流星や隕石の形で地球に落下する可能性があります。

したがって、中性子星の物質が地球の大気圏に入ることは不可能です。

ここまでくれば、中性子星の物質が地球の大気圏に入ることが不可能な理由が皆さんもお分かりになったのではないでしょうか。私たちに最も近い中性子星は、数百から数千光年離れていることが発見されました。中性子星物質が中性子星から脱出するための唯一の条件は、中性子星同士の衝突です。衝突の破片は15分以内に通常の物質に崩壊します。では、これほど高密度の中性子縮退物質が地球上空にまで到達することはどのようにして可能になるのでしょうか?

そんなものは存在しないのだから、大気圏に突入したら何が起こるかを論じるのは無意味だ。しかし、この疑問を追求し続ける人もいるので、大さじ1杯の中性子星物質が本当に大気中で崩壊したら、どのような結果になるか想像してみましょう。

そうすると、中性子星の物質が完全に燃え尽きるかどうかという問題ではなく、地球が燃え尽きるかどうかという問題になります。

この中性子縮退物質の大きさは 1 立方センチメートルであると仮定します。一般的に言えば、中性子星の物質が崩壊して物質に変わるときに質量損失が起こります。この損失は核分裂と似ており、約0.1％です。この中性子星の物質密度が10億トン/cm^3だとすると、通常の物質に崩壊する過程で失われる質量は約100万トンになります。

失われた物質はエネルギーに変換され、放出されます。アインシュタインの質量エネルギー方程式 E=MC^2 によれば、このエネルギーは約 9*10^25J (ジュール) で、これは TNT 火薬 2 億 1,500 万トンの爆発力に相当します (爆発物 1 トンあたりのエネルギーは約 41 億 8,400 万 J)。これは、約 1,650 億個の広島型原子爆弾 (各爆弾の TNT 火薬換算値は約 13,000 トン) が同時に爆発した威力に相当します。

現在、世界各国が保有する核弾頭の総量は、TNT火薬換算で約100億トンに過ぎません。中性子星物質1立方センチメートルが放出するエネルギーは、人類が保有する核爆弾の総量の2億倍以上に相当し、6500万年前に地球に衝突し恐竜絶滅を引き起こした小惑星215個の衝撃力に相当します。このような爆発では、人間はもちろん、菌類も吹き飛ばされて死んでしまうでしょう。

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