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規則正しく電磁パルスを放出する中性子星

Posted by moonrainbow on 19.2024 中性子星   0 comments   0 trackback
規則正しく電磁パルスを放出する中性子星の観測、超流動体研究への新たな扉を開くか

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パルサーから放出される2本のジェットを描いた想像図(NASA's Goddard Space Flight Center)

アルゼンチンの首都ブエノスアイレスから南へ、交通量のほとんどない裏道をクルマで1時間ほどのところに、半世紀前に建造された2台の口径30mの単一パラボラアンテナ電波望遠鏡が上方を向いている。わずか120m間隔(サッカー場ほどの広さ)で立ち並ぶこの電波望遠鏡は現在、高速で自転する中性子星を対象とする南天の観測を活発に行っている

中性子星からは、電波スペクトルでの観測に最適なパルスが、時計のように規則正しく、放出される。「パルサー」と呼ばれるこれらの天体から放出されるパルスは、中性子星の磁場と光速に近い速度で移動する荷電粒子によって生成される放射の特徴を示している。

アルゼンチン電波天文学研究所(IAR)の付属施設であるこの老朽化した望遠鏡は最近、ハードウェアとソフトウェアの両面をアップグレードする改修が実施された。そして2019年以来、2台の電波望遠鏡は現在進行中の「パルサー・モニタリング・イン・アルゼンチン(PuMA)」と呼ばれる取り組みの最前線にある。PuMA(ピューマ)は、現地に生息する大型のヤマネコにちなんだ名前だ


IARと米ロチェスター工科大学の計算相対論重力研究センターとの協力体制の下で運用されているこの望遠鏡は、北半球にある同様の電波望遠鏡に比べて明らかに有利な点がある。それは、ベラ(Vela、ほ座)パルサーを含む観測対象のパルサーの多くが、南半球から最もよく見えることだ。

1月に同施設で取材に応じた、IAR天文台の台長を務めるギレルモ・ガンチョと、アルゼンチン・ラプラタ大学の博士課程学生で、現在はIARで研究を行っているエセキエル・スビエタによると、研究チームは現時点で10個のパルサーを観察しており、うち4個は両アンテナで毎日観測することが可能という。光学望遠鏡とは異なり、この天文台は24時間年中無休で運用されており、観測が中断されるのは悪天候が続いた場合だけだ。もしくは、局地的な電波干渉が特にひどい場合は通常、最新のソフトウェアフィルターを用いて、観測データセットから容易に除去できる。

ガンチョとスビエタが最も大きな関心を寄せているのは、少なくとも1回のグリッチを起こしたことが観測されている200個近くのパルサーだ


■グリッチとは何か

グリッチは、自転周波数の突発的な増大として現れる。つまり、パルサーの自転速度が上昇し始めてから、また元の状態に戻るわけだと、スビエタは説明する。

ベラパルサー(PSR J0835-4510またはPSR B0833-45)は、約1万2000年前にII型のコア崩壊型超新星として爆発したと考えられており、南天の星座のほ座の方向約800光年の距離にある。ベラパルサーは、PuMAサーベイの主要な観測対象の1つだ。2~3年ごとにグリッチを起こすと見られ、過去50年以上の間に二十数回のグリッチが観測されている。

スビエタによると、グリッチが起こるタイミングにパルサーを観測していれば、パルサーの内部で何が起きているかに関する情報をより多く入手できるという。ベラはもうグリッチがいつ起きてもおかしくない頃だと、スビエタは指摘する。

スビエタによれば、自転周波数の増大は、中性子星内部の物質の挙動に関連している可能性が高い。中性子星内部の物質は、極めて高密度で、非常に圧縮されているため、超流動体と呼ばれる物質の状態にあるという。

パルサーの内部は、形容し難いような物質の混合状態であり、いまだ人類の理解が及ばないような方法ですべてがひしめき合っている。だが、中性子星内部の物質の運動により、渦が形成されると考えられている。これが、パルサーのグリッチに対する説明の1つとなる可能性がある


ベラパルサーとその周囲にある超新星残骸がかつて、水素を燃焼する普通の恒星の一部だったとはとても信じ難い

■ベラが超新星になるまでの星の一生は、どのように始まったか?

アルゼンチンのブエノスアイレス大学と国立科学技術研究評議会(CONICET)に所属していた天体物理学者のグロリア・ダブナーは、ブエノスアイレスでコーヒーを飲みながらの取材に応じ、超新星になる前の恒星(前駆星)の性質を推測するのは非常に難しいと語った。ダブナーによると、ベラの場合、太陽の8~10倍の質量を持つ星だった可能性が高い。大質量星の恒星風によって星間物質中に形成された空洞の内部で爆発した可能性が高いという。

進化が進んだ星の中心核で、ケイ素の核融合反応が始まり、鉄ができる段階に至ると、エネルギーを放出するのではなく、星からエネルギーを吸収するようになるため、重力を支えられるものが何もなくなってしまう。

すると、中心核は自己収縮し始め、わずか1秒ほどで崩壊すると、ダブナーは説明する。中心核が臨界密度に達すると、核力が重力を圧倒し、反発を起こすことで、物質が外向きに激しく放出される。膨大な量のニュートリノによって、星のエネルギーの99%が星の外に放出されるという


■残されるのはコンパクトな中性子星

太陽1.4個分の質量を持つ星の磁場がすべて、直径わずか15kmという、大都市の端から端までの距離にも満たないほどの大きさの中性子星に圧縮される。

磁場と相対論的粒子が、中性子星の両極から流出し、放射のビームが形成されると、ダブナーは説明する。このビームが地球の方を向いた場合に、まるで灯台のように、パルスが観測されるという。

この研究はすべて、連日のパルサー観測が極限環境における天体物理学の理解の向上につながることを目指している。さらには、地球上での超流動体の実際の応用への道を開く可能性もある。

IARのスビエタによると、地球上では実験室内で超流動体が作り出されているが、これは電子の超流動体だ。中性子星との違いは、超流動体が中性子でできていると考えられる点だ。現在のところ、実験室で中性子の超流動体を作り出すことは不可能で、将来的に可能になるかどうかもわからないという。だが、グリッチが、中性子の超流動体の存在を検証するための手段の1つとなるかもしれないと、スビエタは指摘している。

純粋な天体物理学に関しては、どうだろうか。

スビエタによれば、この種の物質を理解することは、電磁放射の放出、中性子星の安定性と進化、超新星過程などの理解の向上に役立つと考えられる


2024年2月16日
Forbes JAPANより

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