[비즈한국] イギリスのロックバンド、ジョイ・ディヴィジョンのデビューアルバム『Unknown Pleasures』のカバーアートは実に印象的だ。ギザギザと揺れ動く曲線状のパターンが何重にも重なった独特のデザインである。これは、史上初めて発見された中性子星、パルサー「PSR B1919+21」から放出された電波スペクトルの観測データをそのまま描き写したものだ。自分たちの音楽世界がパルサーのようにミステリアスであるというメッセージが込められている。
1967年、天文学者のジョスリン・ベルは、マラード電波天文台を通じて非常に奇妙な天体を捉えた。特定の場所から、考えられないほど短い間隔で一定の電波パルスが飛んできていたのだ。1.337秒に1回、0.04秒程度の長さで電波パルスが観測された。あまりにも規則的であったため、当初は自然現象であるはずがないと考えられたほどだ。冗談半分に、どこかの異星人が人工的に送ってくる信号かもしれないと考え、「小さな緑の人間」を意味する「リトル・グリーン・マン（LGM、Little Green Man）」という愛称でこの信号を呼んだ。
残念ながら、この電波パルスの正体は異星人ではなかった。しかし、それに劣らず驚くべき存在だった。非常に巨大な星が高密度の小さな塊へと崩壊した後に残る「中性子星」だったのだ。巨大だった星が極めて小さなサイズに崩壊すると、猛スピードで自転する中性子星となる。中性子星は強い磁場を形成し、その磁軸は自転軸に対して少し傾くことがある。磁場に沿って中性子星は強力なエネルギーを噴出するのだが、実際の自転軸と磁軸がわずかに斜めに傾いているため、中性子星が吐き出すエネルギー・ジェットの方向も一定の周期で少しずつ回転することになる。光が回る灯台のように。一定の周期で点滅するパルス信号のような電波を放出する星であることから「パルサー」と呼ぶ。
通常、パルサーは非常に速く自転する中性子星であるため、パルス信号の周期も極めて短い。中性子星が1回転するのにかかる時間は1秒にも満たず、ミリ秒単位である。これまで発見された中で最も速く自転するパルサーは、2004年に発見された「PSR J1748−2446」だ。このパルサーは1分間に実に4万3000回転もする。分間回転数で言えば4万3000 RPMを意味する。現在、RPMが最も高いスーパーカーであるゴードン・マレーのT50モデルでさえ1万2100 RPMを誇る。巨大な中性子星が、なんとスーパーカーよりも3〜4倍近く速く回転しているのだ！このように、通常のパルサーの世界では非常に速い速度と短い周期が常識である。
ところが最近、天文学者たちは非常に長い周期で、あまりにもゆっくりと自転するパルサーを発見した。周期が長すぎて、果たして一般的なパルサーと呼べるのかさえ疑問視されている。この奇妙なパルサーは、驚くべきことにその自転周期が1秒でも1分でもなく、53分に達するのだ！ほぼ1時間を周期として非常にゆっくりと、のんびりと自転している。史上最も遅く自転するこのパルサーの正体は何だろうか？
今回捉えられたこの「のろま」なパルサーは、実に偶然に発見された。もともと天文学者たちは、夜空で急速に明るさが変化するガンマ線バースト天体のような急激な現象をモニタリングする計画を立てていた。一瞬で明るくなり消えてしまう急激な現象であるため、見当違いの場所を見ていると見逃しやすい。そのため、可能であれば広範囲の空を一度にスキャンして、急変する現象をキャッチする必要がある。
天文学者たちは、西オーストラリアの広大な砂漠に展開する「ASKAP電波望遠鏡」を活用した。それぞれ12mの巨大な皿型のアンテナ36基が集まり、まるで一つの大きなアンテナのように同じ方向の空を見つめる。砂漠に立って同じ方向を見つめるミーアキャットの群れのようだ。この望遠鏡を使えば、合計30平方度の面積、満月150個分を覆うことができる広大な空をスキャンできる。天文学者たちはこれを通じて2022年10月15日、計6時間にわたって広い空を見渡し、急速に明るさや位置が変わる現象が起きるかをモニタリングした。
ところが、全く予想外の奇妙な現象が捉えられた。1万6000光年離れた星「ASKAP J1935+2148」から、3225秒ごとに10〜50秒の長さのガンマ線パルスが繰り返し飛んできていたのだ。3225秒間隔で繰り返されるパルスということは、なんと53分に1回ずつ非常にゆっくりとパルスが繰り返されていることを意味する！今回観測されたこの謎の星のスペクトル形態を見ると、明らかに一般的なパルサーのように見える。その周期がミリ秒や数秒ではなく、53分という非常に遅い周期であることを除けばだが。
今回の観測を通じて天文学者たちは、ASKAP J1935+2148には少しずつ異なる3つのパルス形態が混在していることを突き止めた。まず、10〜15秒の長さで最も強い強度のパルス信号が計15回確認された。次に、それより強度が約26倍も弱いパルス信号がある。この弱い信号は約370ミリ秒の短い長さで放出され、全体の観測期間中に計2回確認された。最後に、目立ったパルス信号を放出しない状態が混ざっていた。このように持続時間と強度が異なるパルス信号が約53分間隔で放出される、非常に複雑な形態を見せている。
では、一体この史上最も「のろま」なパルサーの正体は何なのだろうか？前述したように、崩壊した中性子星が高速で自転して作られる一般的なパルサーとしては理解できない。現在までに発見された中で最も遅い速度で自転する中性子星パルサーの周期でさえ、76秒レベルだ。1分を少し超える程度の短い時間で1回転するレベルである。それに比べれば、今回発見されたのろまパルサーの自転周期は53分である（53秒ではない！）。このような極端に遅い周期で放出されるパルス信号を説明するには、少し違った種類のパルサーを考える必要がある。中性子星ではなく、「白色矮星」がパルサーになる可能性だ。
簡単に比較すると、白色矮星は中性子星に比べて少し極端ではない事例と言える。比較的質量が軽い星が核融合をすべて終え、死を迎える瞬間に外郭の物質を吹き飛ばすと、中心部に高密度の核が残る。これ以上核融合ができないため新たなエネルギーは作れず、爆発直後の熱気が徐々に冷めていくだけである。このように残された高温の表面温度と小さなサイズを持つ矮小な残りかすを「白色矮星」と呼ぶ。中性子星は、それよりはるかに重い星が崩壊して残る、より極端に高密度な残りかすだと考えればよい。
実際に、2016年に天文学者たちは中性子星だけでなく、白色矮星からも一定間隔で放出される電波パルスが観測され得ることを確認した。さそり座の方向に380光年離れた星「AR Scorpii」は、赤色巨星と白色矮星がペアになって軌道を回る連星である。ここで天文学者たちは、約1.97分間隔で一定に放出される電波パルス信号を捉えた。もちろん今回発見された53分周期の非常に遅いパルサーに比べれば依然として周期は短いが、ミリ秒スケールで自転する既存の中性子星パルサーに比べれば非常に遅いと言える。
したがって、今回捉えられたのろまパルサーも、もしかすると近傍に他の伴星を従えたまま一定周期でパルスを放出する「白色矮星パルサー」である可能性を検討できる。これを検証するため、天文学者たちはチリのVLT望遠鏡の赤外線観測装置「HWAK-I」でASKAP J1935+2148周辺を観測した。しかし、周辺で赤外線を放出するような特筆すべき天体は見つからなかった。近傍に何か他の伴星を従えて連星をなしている白色矮星パルサーである可能性は低そうだ。
パルサーの自転周期を通じて、この星のおおよそのサイズを推測できるが、その分析結果も非常に当惑させるものだ。星の磁場の強さ、表面の曲率など多様な要因を非常に広い範囲で仮定し、今回の観測で確認された遅い自転周期を当てはめてみた結果、もしこの星が本当に白色矮星パルサーならば、一般的な白色矮星のサイズである「太陽半径の0.14倍」をはるかに逸脱する、絶対に不可能な数値が出てしまう。したがって、このパルサーを単純に白色矮星パルサーとみなすことにも無理がある。
もう一つの可能性は、非常に強力な磁場を形成している「マグネター」の可能性だ。通常、マグネターは非常に強力な磁場によって、周辺で周期の異なる複雑なパルス信号を併せて放出する。今回観測されたASKAP J1935+2148の変則的で複雑な電波スペクトル形態も、このように理解できるかもしれない。しかし、この仮説にも致命的な限界がある。結局のところ、マグネターも「磁場が非常に強い中性子星パルサー」であることに変わりはないからだ。いかにその小さなサイズに崩壊した高密度の中性子星が、50分を超える周期でゆっくり自転しながらパルス信号を放出できるのかという根本的な問いには答えられない。
果たして今回発見されたこの「のろま」なパルサーの正体は何だろうか？我々が既存に知っていた中性子星パルサー、または最近発見され始めた白色矮星パルサーのいずれかだろうか？もしかすると、全く別の「第3のカテゴリー」が必要になるのかもしれない。
参考
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02277-w
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x
https://www.nature.com/articles/nature18620
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広める夢を持った。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて銀河同士の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。