宇宙最強の磁石星「マグネター」に新天体~国際宇宙ステーションのX線望遠鏡NICERが活躍~

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2020-10-05 理化学研究所,京都大学,イスタンブール大学,青山学院大学

理化学研究所(理研)開拓研究本部榎戸極限自然現象理研白眉研究チームのフー・チンピン客員研究員(京都大学外国人特別研究員)、榎戸輝揚チームリーダー、イスタンブール大学のトルガ・ガーバー(Tolga Güver)教授、ベステ・ベギカースラン(Beste Begicarslan)学部4年生、青山学院大学理工学部物理・数理学科の坂本貴紀教授らの国際共同研究グループは、2020年3月に報告された新天体「Swift J1818.0-1607」が、これまでに20天体ほどしか見つかっていない中性子星[1]の一種、宇宙で最も強い磁場を持つ「マグネター[2]」であることを突き止めました。

本研究成果は、恒星が超新星爆発[3]を起こした後に残される高密度天体である中性子星の進化と多様性、磁気活動を理解する鍵になると期待できます。

今回、国際共同研究グループは、ミリ秒の継続時間を持つX線のバースト現象で見つかった新天体 Swift J1818.0-1607を、国際宇宙ステーションに搭載されたX線望遠鏡NICER[4]を用いて追跡観測を行いました。その結果、自転周期(1.36秒)とその変化率の測定にいち早く成功し、星表面の磁場の強さが270億(2.7×1010)テスラにも達していることから、この天体が宇宙で最強の磁石星といわれている特異な「マグネター」であると突き止めました。その後の50日間近くのX線のモニタリング観測では、中性子星の自転周期が急激に変化する「グリッチ」という現象を2回、検出することにも成功しました。

本研究は、科学雑誌『The Astrophysical Journal』(10月7日付)に掲載されます。

宇宙最強の磁石星「マグネター」と磁力線の想像図の画像
宇宙最強の磁石星「マグネター」と磁力線の想像図

背景

大質量の恒星がその一生を終えて超新星爆発を起こすと、ブラックホールや中性子星などが残ります。中性子星は、太陽質量の1.4倍ほどの物質が半径12kmに押し込められた、超高密度の天体です。その内部は原子核の密度を超えることから、原子核物理学や重力波天文学の研究において注目されています。また、中性子星の周辺は強い磁場を帯びており、極限的な現象が発現する宇宙の実験室ともいえます。

中性子星は、銀河系を中心にこれまでに2,800天体ほどが見つかっており、観測的な特徴によって区別できる複数の「種族」に分けられています。例えば、中性子星の大多数は、高速な自転に伴って周期的な電波パルスを放出する「電波パルサー」です。高密度な天体が高速で自転する際には、莫大な回転エネルギーが蓄えられます。これらのパルサーでは、その回転エネルギーを放射するパルスが、電波からX線、ガンマ線までの多波長にわたって観測できます。また、中性子星の自転は徐々に遅くなっていくため、長期にわたって観測を続けると自転周期の変化率を計測できます。

図1には、これまでに見つかっている中性子星のパルスの周期(星の自転周期)と、星の回転が遅くなる率(星の自転周期の変化率)を描いています。この図上で電波パルサーは一つのまとまった「島」を形成していますが、それ以外にも異なる種族が島を作っていることが分かります。このように一言で中性子星といっても、観測される特徴には多様性があります。その多様性がどのような物理的な要因によって決まり、中性子星がどのように進化していくのかは、天文学における大きな問題の一つになっています。

中性子星の自転周期と自転周期の変化率の図図1 中性子星の自転周期と自転周期の変化率

知られている中性子星の自転周期とその変化率で分類し、異なる種族を図示した。今回新しく見つかった新天体Swift J1818.0-1607を星印で示している(Enoto, Kisaka, and Shibata, Reports on Progress in Physics, 2019の図を改変)。マグネターは自転周期が長く、自転周期の変化率も大きい。図中の種族名は、XINS=X-ray Isolated Neutron Stars、CCO=Compact Central Object。


中性子星の種族の中で、最も磁場が強い天体は「マグネター」と呼ばれ、その表面磁場は100億~1000億(1010-11)テスラにも達します。地球の地磁気は50マイクロテスラ(5×10-5テスラ)ほどで、磁場が強いといわれる太陽の黒点でも0.1テスラほどであることから、マグネターはいわば宇宙で最強の磁石星といえます。マグネターはその強い磁場のため、磁場中における光子の自発分裂や真空の複屈折など、地上では観測できない現象が起きていると考えられています。

また、マグネターは自転周期が2~12秒ほどで、他の中性子星よりも自転が遅いことから、星の内部や周辺に蓄えた磁気エネルギーを開放して輝いており、回転エネルギーで光る通常の電波パルサーとは異なるエネルギー源を持っていると考えられています。天文学の研究で重要性が増しているマグネターには、X線で常に明るい天体と突発的に明るくなる天体があり、これまで20天体ほどしか知られていませんでした。

研究手法と成果

2020年3月12日、アメリカ航空宇宙局(NASA)が運用するスウィフト衛星[5]に搭載されたガンマ線バースト観測を主な目的とした検出器が、継続時間 10ミリ秒ほどのX線のバースト現象を検出し、その到来した方向に新天体「Swift J1818.0-1607」を発見しました。

国際共同研究グループは、国際宇宙ステーションに搭載されたX線望遠鏡 NICERを用いて、X線バーストの検出から4時間後には迅速な追跡観測を開始しました(図2)。その結果、この新しいX線源から1.36秒の周期的な信号を世界に先駆けて検出し、翌日の3月13日には天文学コミュニティに報告しました注1)。さらに継続して観測した結果、3月25日に周期変化率の測定も報告しました注2)。それらを組み合わせることで、表面磁場の強さを270億(2.7×1010)テスラと見積もり、Swift J1818.0-1607がマグネターであることを突き止めました。これは知られている古典的なマグネターの中で最も自転が速く、高速で回転していることが分かりました(図1)。一般にマグネターが電波パルスを出すことは稀ですが、この新天体は電波の信号も検出される珍しい天体であり、電波でも同様の周期性が確認されました。

注1)The Astronomers Telegram #13551, 2020年3月13日

注2)The Astronomers Telegram #13588, 2020年3月25日

国際宇宙ステーションに搭載されているX線望遠鏡NICERの写真(提供:NASA)の図図2 国際宇宙ステーションに搭載されているX線望遠鏡NICERの写真(提供:NASA)

その後、Swift J1818.0-1607のX線のスペクトルやパルス周期を50日間ほどにわたってモニタリング観測しました(図3)。その結果、Swift J1818.0-1607がX線で増光を始めてから8日後と14日後にそれぞれ、自転の周期が急激に変化する「グリッチ」と呼ばれる現象を検出することに成功しました(図3の青破線)。グリッチは、中性子星の内部状態が変化することで発生すると考えられており、今後、マグネターの内部を理解する上で重要な観測データになります。また、この2回のグリッチの強さは、知られているマグネターのグリッチの中でも強く、その発生間隔も短いことから、Swift J1818.0-1607の活動性が高い時期に観測されたと考えられます。さらに、Swift J1818.0-1607の推定される年齢は420年と若かったため、生まれて間もないマグネターが銀河系に隠れていたことも分かりました。さらに、Swift J1818.0-1607のX線は徐々に暗くなってきており、50日間の観測で50%ほどX線の明るさ(フラックス)が減少しました(図3上段)。この天体のX線が静穏期にどの程度の明るさなのかは分かっていませんが、今後、再び眠りにつくのではないかと考えられます。

新天体 Swift J1818.0-1607 のX線フラックスと自転周期と周期変化率の変化の図
図3 新天体 Swift J1818.0-1607のX線フラックスと自転周期と周期変化率の変化

上段はX線フラックス、中段は自転周期、下段は周期変化率の変化を示す。X線フラックスは約50日で50%ほど減少した。左から一つ目と二つ目の青破線は、8日後と14日後に観測された自転周期の急激な変化(グリッチ)に対応している。


Swift J1818.0-1607は、その観測的特徴から、電波パルサーの特徴のいくつかも併せ持っており、強磁場パルサーと呼ばれているPSR J1846-0258やPSR J1119-6127などと類似しているとも考えられます。図4に、X線での明るさ(X線光度)と星の回転で放出されるエネルギー(回転エネルギーの放出率)の比較を示しています。Swift J1818.0-1607はマグネターとして振る舞いつつも、これまでに知られていた電波パルサーの特徴をも備えていることが示唆されます。今後、中性子星の進化を理解する上で、異なる種族を結びつける鍵となる天体であると考えられます。

元素周期表の図
図4 中性子星の異なる種族の比較

縦軸はX線光度、横軸は星の回転エネルギーの放出率。知られているマグネターは黄線、古典的な回転駆動型パルサーは緑四角、また回転駆動型パルサーの中でマグネターのようなX線バーストを示した2天体(PSR J1846-0258、PSR J1119-6127)は青線で、新天体Swift J1818.0-1607は赤線で示している。

今後の期待

宇宙論的な距離から到来する謎の高速電波バースト(FRB)[6]という現象が知られており、天文学の大きなテーマの一つとなっています。最近の研究で、このFRBに極めてよく似た現象が銀河系内のマグネター SGR 1935+2154から検出されました。そのため、マグネターはFRBを解明するための鍵になると考えられるようになっています。

本研究で見つかったマグネター Swift J1818.0-1607の観測的特徴は、極めて磁場の強い中性子星が、それ以外の中性子星の種族とどのような関係にあるかを理解する上で鍵になるだけでなく、FRBといった研究テーマにもつながると期待できます。

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