連星パルサー（バイナリーパルサー）とは：定義・タイミング観測・重力波と一般相対性理論の検証

連星パルサーとは、連星を持つパルサーのことで、白色矮星や中性子星であることが多い。少なくとも、PSR J0737-3039のような二重パルサーでは、伴星が別のパルサーであることがあります。

バイナリーパルサーは、強い重力場が存在する場合に一般相対性理論を検証することができる数少ない天体の一つである。パルサーの伴星は通常観測が困難か不可能であるが、パルサーからのパルスのタイミングは電波望遠鏡によって極めて正確に測定することが可能である。バイナリー・パルサーのタイミングは、間接的に重力放射の存在を確認し、アインシュタインの一般相対性理論を検証した。

連星パルサーの基本特徴

連星システムとしてのパルサーは、伴星が白色矮星、中性子星、あるいは主系列星である場合がある。特に中性子星同士の連星（双星中性子星系）は強い重力場・高速の相対運動を示し、相対論的効果が顕著に現れる点で重要です。多くの連星パルサーは「再活性化（recycled）」を受けたミリ秒パルサーで、過去に伴星から質量と角運動量を受け取り自転が高速化しています。

タイミング観測と解析の流れ

パルス到達時刻（TOA：Time of Arrival）を精密に測ることが連星パルサー研究の基盤です。実際の解析では次のような補正とモデル化が行われます。

• 電離層・銀河内分散（Dispersion Measure, DM）補正：電波が電子により周波数依存で遅れるため補正します。
• 天体力学的補正（barycentering）：地球の運動を取り除き太陽系重心時刻に変換します。
• ローメル遅延（Roemer delay）：パルサーの軌道位置に応じた光走時の遅れ。
• アインシュタイン遅延（時間膨張＋重力赤方偏移）：軌道に伴う相対論的時間遅れ。
• シャピロ遅延（Shapiro delay）：伴星の重力による電波の遅延（edge-onに近い系で顕著）。

これらを含むタイミングモデルには、まずKepler的な軌道要素（公転周期 Pb、離心率 e、半長軸のプロジェクション a sin i、近点通過時刻など）が含まれ、その上でポスト・ケプラー（PK）パラメータ（例えば近点の進行 ω̇、重力赤方偏移γ、軌道周期変化 Ṗ_b、シャピロの範囲 r と形 s=sin i など）を測定します。PKパラメータは理論に依存して各々が質量や重力理論の関数として与えられるため、複数のPKパラメータが得られるとシステムの一貫性検証や質量決定が可能になります。

一般相対性理論（GR）の検証と重力波の間接検出

連星パルサーは、以下のような観測によりGRの予言を高精度で検証してきました。

• 近点の進行（periastron advance, ω̇）：周囲の重力や相対論的効果により近点引数が進行します。これは太陽系の水星の近点進行と同様の効果の強い場での検証です。
• 重力赤方偏移と時間膨張（γパラメータ）：軌道上での速度変化と重力ポテンシャル変化に伴う時計の遅れ。
• シャピロ遅延：伴星による重力場での電波遅延は、特に高い軌道傾斜角を持つ系で測定され、伴星の質量と軌道傾斜角を決定します。
• 軌道周期の変化（Ṗ_b）：GRの四極子放射公式により系はエネルギーを重力波として放出し、軌道が収縮して公転周期が短くなるはずです。1974年発見のPSR B1913+16（ハルス＝テイラー・パルサー）におけるṖ_bの観測は、GRの予言と高度に一致し、重力波の間接的存在証明となりました（この業績によりハルスとテイラーは1993年のノーベル物理学賞を受賞）。

さらに、双パルサー系（例：PSR J0737-3039）では多数のPKパラメータが独立に測定でき、GRが示す質量制約の一致性が非常に厳密に調べられています。これらの検証は一般に非常に高精度であり、モデルによっては0.1%以下のレベルでの一致が示されています。

代表的な連星パルサーと得られた成果

• PSR B1913+16（ハルス＝テイラー・パルサー）：最初に発見された二体中性子星系。軌道周期の減少がGRの重力波放射による予測と一致したことが有名。
• PSR J0737-3039A/B（双パルサー）：2つのパルサーからの信号がともに観測される珍しい系で、複数のPKパラメータが同時に測定可能。年周や自転軸の進動など多様な相対論的効果の観測を可能にしました。
• パルサー–白色矮星系：白色矮星伴星を持つ系は、スカラー場などによる双極子放射を強く許す理論（代替重力理論）を制限する上で重要な役割を果たします。

理論的・観測的意義

連星パルサーの観測は以下の点で重要です。

• 重力理論の非線形・強重力場領域での検証。特にGR以外の重力理論（スカラー–テンソル理論など）に対して強力な制約を与えます。
• 連星進化や中性子星の質量分布、内部状態（方程式の制約）に関する情報を提供します。特に高質量中性子星の存在は方程式の硬さに関する限界を示します。
• 重力波検出（LIGO/Virgo）による直接検出と相補的に、低周波領域での重力波放射の間接検証を行う役割。さらに将来は多くの連星パルサー発見がPulsar Timing ArrayやSKAによる重力波背景の探索を助けます。

観測上の課題と今後の展望

正確なタイミング解析には長期間にわたる安定した観測が必要で、電波時刻の系統誤差（バックエンドの時間基準、望遠鏡位置、電離層の変動など）や銀河内運動に伴う系外効果の補正が重要です。今後の大型電波望遠鏡（SKAなど）や長期観測により、より多くの二体系・双パルサーが発見され、重力理論のさらなる高精度検証、重力波放射の微細な効果（例えば高次の相対論的補正や代替理論の微小なずれ）の探索が期待されます。

まとめ：連星パルサーは「宇宙の精密時計」として、重力物理学の強力な実験場を提供します。タイミング観測によって得られる複数のポスト・ケプラー項の整合性検証は、一般相対性理論だけでなく代替重力理論への厳しい制約を与え、重力波天文学や中性子星物理の発展にも不可欠な情報源となっています。

歴史

最初の連星パルサーであるPSR B1913+16（ハルス・テイラー連星パルサー）は、1974年にジョセフ・テイラーとラッセル・ハルスによってアレシボで発見され、この功績により1993年にノーベル物理学賞を受賞した。この星系からのパルスは、発見以来、不具合なく15μs以内で追跡されています。

1993年のノーベル賞は、このような星を2つ発見したジョセフ・テイラーとラッセル・ハルスに贈られた。ハルスはPSR B1913+16と名付けられた新しいパルサーを観測していたとき、そのパルサーの周波数が変動していることに気づきました。その結果、このパルサーが他の星を高速で周回しているというのが、最も単純な説明であると結論づけられた。ハルスとテイラーは、このパルスの揺らぎを観測することによって、その星が同じように重いと判断し、もう一つの空間的な天体も中性子星であると信じるに至ったのである。

この星系の軌道の崩壊を観測したところ、アインシュタインの方程式とほぼ完全に一致した。相対性理論では、連星系の軌道エネルギーは時間とともに重力放射に変換されると予言されている。テイラー氏らが収集したPRS B1913+16の公転周期のデータは、この相対論的な予測を裏付けるものでした。彼らは1983年に、軌道間隔が一定である場合に予想される2つのパルサーの最小間隔と比較して、観測された間隔に差があることを報告しました。発見から10年の間に、この星系の公転周期は1年に約7600万分の1秒ずつ短くなっていたのです。これは、パルサーが最大分離に近づくのが、軌道が同じであった場合よりも1秒以上早くなったことを意味する。その後の観測でも、この減少は続いている。

連星系PSR B1913+16が重力波放射によってエネルギーを失ったときの、近日点周期の累積的な変化（単位：秒）。赤い点は実験データ、青い線は相対性理論で予測されるシフト量。

質問と回答

Q:連星パルサーとは何ですか?

Q:連星パルサーの伴星は何ですか?

Q: 連星パルサーの物理学上の意義は何ですか?

Q: 連星パルサーの伴星を観測することはできるのでしょうか?

Q: 連星パルサーのパルスのタイミングはどのように測定するのですか?

Q: 連星パルサーのタイミングは間接的にどのように確認されているのですか?

Q:バイナリーパルサー・タイミングはどのような理論を検証しているのですか?

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