パルサーとは？高速回転する中性子星の仕組みと電磁波ビームの観測入門

パルサーとは何か？高速回転する中性子星の仕組みと電磁波ビームの観測法を図解と基礎知識でやさしく解説。

パルサーは、高速で自転する中性子星で、細いビームに沿って巨大な電磁波を放射しています。中性子星は非常に密度が高く、規則正しく短いスピンをしています。そのため、個々のパルサーでは、およそミリ秒から数秒の非常に正確なパルスの間隔が生まれます。パルスは、地球がビームの方向に十分に近い場合にのみ見ることができます。灯台が自分の方向に向かって光っているときだけ見えるのと同じです。

パルスは星の回転と一致します。回転しているため、短い間隔でしか放射を見ることができず、灯台のような効果があります。

パルサーができるまで（起源）

パルサーは、質量の大きな恒星が超新星爆発を起こして残したコンパクトな中心天体、すなわち中性子星です。典型的な中性子星は太陽の質量と同程度（約1.4倍）を、半径わずか約10〜12kmに押し込めた非常に高密度な天体です。誕生直後は急速に回転し、同時に非常に強力な磁場（10^8〜10^15ガウス）を持っていることが多く、この回転と磁場がパルサーの電磁波ビームを生みます。

放射の仕組み（ランターンモデルと電磁過程）

パルサーの基本モデルは「灯台（ランタン）モデル」です。回転軸と磁場軸が一致していないため、磁極から放たれる狭い電磁波ビームが回転とともに空間を掃くように動きます。ビームが地球を横切ると観測上は規則的なパルスとして現れます。

ビームが生じる物理過程は複雑ですが、主に以下のような要素があります：

• 強磁場中で荷電粒子（電子・陽電子）が磁力線に沿って加速され、曲率放射（curvature radiation）やシンクロトロン放射を出す。
• 電磁場による電位差でプラズマが生成され、複雑な電磁流が形成されることで高エネルギーの電磁波が放射される。
• 放射はラジオ波だけでなく、X線・ガンマ線まで多波長にわたる場合があり、可視光で見えるパルサーも存在する（例：かに星雲のパルサー）。

観測上の特徴

• 周期（P）：ミリ秒（約1.4 msが最速級）から数秒まで幅がある。周期の安定性が高く、精密なクロックのように振る舞う。
• スピンダウン：回転エネルギーは放射により失われるため、周期は徐々に長くなる（スピンダウン）。この変化から磁場強度や年齢の推定ができる。
• グリッチ（glitch）：不意に周期が速くなる現象が観測されることがあり、内部の超流動核物質などのダイナミクスを示唆する。
• パルスプロファイルと偏光：個々のパルサーは独特のパルス形状と偏光特性を持ち、磁場構造や放射領域の性質の手がかりになる。
• 分散度（DM）：電波パルスは電離した星間物質を通ると周波数依存で遅延する。この遅延量（DM）から距離や星間電離ガスの情報を得られる。

種類と進化

代表的な分類には次のようなものがあります：

• 通常の若いパルサー：数十ミリ秒〜数秒の周期で、強い磁場を持つ。かに星雲のパルサーが典型例。
• ミリ秒パルサー（再活性化パルサー）：周期がミリ秒オーダーまで高速化したパルサーで、多くは連星系で伴星から物質を降着してスピンアップされた「回復」個体。
• マグネター：極めて強い磁場（〜10^14–10^15 G）を持ち、ガンマ線・X線の突発的な活動を示す特殊な中性子星。通常のパルサーとは放射機構や観測振る舞いが異なる場合がある。

歴史と重要な観測結果

最初のパルサーは1967年にジョスリン・ベル・バーネルと安東尼・ヒューイッシュらによって発見されました。以降、パルサーは天体物理学で重要な役割を果たしてきました。特に有名なのはハルス＝テイラー二重パルサー（PSR B1913+16）で、一般相対性理論が予言する重力波放射による軌道減衰の証拠を与えました。

応用と現在の研究

• パルサーは極めて安定した時計として使えるため、天体測時（pulsar timing）により時刻や位置測定、宇宙航法の研究に応用が期待されます。
• 複数のミリ秒パルサーのタイミングを同時に解析する「パルサータイミングアレイ（PTA）」は、ナノヘルツ帯の重力波（超大質量ブラックホール連星によるもの）の検出手段として注目されています。
• 高エネルギー天文学、超新星残骸との関連、内部物質状態（超流動・超伝導）など、基礎物理学の実験室としての価値も高いです。

代表的なパルサーの例

• かに星雲パルサー（Crab pulsar）：若くて明るく、マルチ波長で活発な放射を示す。
• ミリ秒パルサーPSR J0437−4715：非常に安定したミリ秒周期でタイミング精度が高い。
• ハルス＝テイラー二重パルサー：相対論的効果の検証に貢献。

まとめ（観測入門としてのポイント）

パルサー観測を始める上での基本ポイントは次のとおりです：

• 電波でのパルス観測が最も一般的だが、X線やガンマ線でも観測される。
• パルスは回転周期に正確に対応し、ビームが地球に向く時だけ観測される（灯台効果）。
• 周期やパルス形状、偏光、分散度などの測定から物理状態や距離、周囲環境が推定できる。

パルサーは単なる奇妙な天体ではなく、極限環境での物理を調べる貴重な観測ターゲットです。初学者はまずラジオ観測データや公表されているパルサーカタログを眺め、代表的なパルサーのパルスプロファイルや時刻解析の手法に慣れるとよいでしょう。

ディスカバリー

最初のパルサーは1967年に発見された。発見したのは、ジョセリン・ベル・バーネルとアントニー・ヒューイッシュ。二人はケンブリッジ大学に勤務していた。観測された発光は、1.33秒間隔でパルスが発生していた。パルスはすべて空の同じ場所から発せられている。この電波源は恒星時を守っている。当初、なぜパルサーが放射の強さを規則的に変化させるのか、その理由は分からなかった。パルサーとは、「脈打つ星」の略称である。

このパルサーは現在CP1919と呼ばれ、電波を放射していますが、その後X線やガンマ線の波長も放射していることが分かっています。

ノーベル賞

1974年、アントニー・ヒューイッシュは天文学者として初めてノーベル物理学賞を受賞した。この時、ベルが受賞せず、ヒューイッシュが受賞したことで論争が起こった。博士課程に在籍し、最初の発見をしたのが彼女だったからだ。この点については、ベルは恨みっこなしで、ノーベル賞委員会の決定を支持する。ノーベル賞委員会の決定を支持し、「ジョスリン・ベル・バーネルが受賞すべきだったと強く思っているので、ノーベル賞と呼ぶ人もいる」という。

1974年、ジョセフ・フートン・テイラー・ジュニアとラッセル・ハルスは、連星系にあるパルサーを初めて発見した。このパルサーは、別の中性子星をわずか8時間の周期で周回している。アインシュタインの一般相対性理論によれば、この星系は強い重力放射を放ち、軌道のエネルギーを失って軌道を絶えず収縮させるはずである。パルサーの観測によって、この予測はすぐに裏付けられ、重力波の存在を示す最初の証拠となった。2010年現在、このパルサーの観測は一般相対性理論と一致し続けている。1993年、このパルサーの発見により、テイラーとハルスにノーベル物理学賞が贈られた。

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