超高速パルサー候補、天の川の超大質量ブラックホール近くで検出

宇宙の大海の中の一本の針

天の川の中心は、既知の宇宙で最も極端な環境の一つです。私たちの太陽の約400万倍の質量を含む超大質量ブラックホールのSagittarius A*の周りで、ガス、塵、強烈な放射線、そして時空そのものの構造をゆがめる重力が渦巻いています。科学者たちは長い間、この地域にパルサー（急速に回転する中性子星で、宇宙灯台のような電波を放出する）が存在するはずだと理論化してきましたが、それらを検出することは非常に難しいことが判明しています。現在、コロンビア大学のチームがそれを実現し、銀河中心で8.19ミリ秒の周期で回転する候補ミリ秒パルサーを特定しました。

この発見は『天体物理学ジャーナル』に掲載され、Breakthrough Listen銀河中心サーベイから生まれました。これは私たちの銀河の荒れ狂う心臓部で実施された最も敏感な電波調査の一つです。コロンビア大学の最近のPhD卒業生Karen I. Perezが主導し、コロンビア天体物理学研究所のSlavko Bogdanovが共著者として参加した本研究は、ウェストバージニア州のGreen Bank Telescopeを使用した何年もの地道な観測とデータ分析の結果です。

ミリ秒パルサーが重要な理由

パルサーは、超新星爆発で人生を終えた巨大な星の崩壊した残骸です。残されたもの信じられないほど密度が高い中性子星です。都市ほどの大きさの球体ですが、太陽より多くの質量を含む中性子星で、急速に回転し、電磁放射の焦点を当てたビームを放出します。パルサーが回転するにつれて、これらのビームは灯台のビームのように宇宙を横切って掃引し、地球上の電波望遠鏡で検出できる定期的なパルスを生成します。

ミリ秒パルサーは特に速く回転する特別なサブクラスで、1秒間に数百回転します。それらの異常な回転速度はそれらのタイミング動作を顕著に安定させます。場合によっては、原子時計の精密さに匹敵します。この安定性は彼らを基礎物理実験のための貴重なツールにします。なぜなら、それらの予想されるタイミングからの任何の逸脱は、重力を含む外部の力の影響を明らかにする可能性があるからです。

Sagittarius A*近くで特定された候補パルサーは、8.19ミリ秒ごとに完全に回転し、ミリ秒カテゴリーにしっかり属しています。この速度では、それは1秒間に約122回転し、私たちの太陽より重い可能性がある物体にとって驚くべき数字です。

アインシュタインの理論の実験室

この発見を取り巻く科学的興奮は、別のパルサーの検出を遥かに超えています。超大質量ブラックホールの近くを周回するミリ秒パルサーは、物理学者が「理想的な自然実験室」と説明するものを作成し、地球上またはこの宇宙のどこでも複製できない条件下で一般相対性理論をテストします。

1915年に発表されたアインシュタインの一般相対性理論は、質量のある物体がそれらの周りの時空の幾何学をゆがめることを予測しています。超大質量ブラックホールの近くでは、これらのゆがみ効果は極端になります。この歪んだ時空を通過するミリ秒パルサーからの正確なタイミング信号には、測定可能な異常が含まれます。つまり、重力環境に関する情報を符号化する通常のパルスパターンからのわずかだが検出可能な逸脱です。

数ヶ月から数年にわたってこれらのタイミング異常を慎重に監視することで、科学者は一般相対性理論の予測が最も極端な重力条件下で成り立つかどうかをテストできます。観測された動作と予測された動作との間の不一致は、アインシュタインの枠組みを超えた新しい物理学を指摘し、量子レベルでの重力の性質についての手がかりを提供する可能性があります。これは現代物理学の最も深い未解決の問題の一つです。

検出の課題

銀河中心の近くでパルサーを見つけることは、いくつかの理由で非常に困難です。この地域は、星間散乱として知られる現象である電波を散乱および吸収するガスと塵が密集しています。この散乱はパルサー信号を広げて歪め、背景ノイズから区別しにくくしています。この効果は低周波数の電波では特に深刻であるため、研究チームはGreen Bank Telescopeの高周波数機能を使用して干渉を遮断しました。

さらに、銀河中心の近くにある電波源の単なる密度は、信号の識別を複雑にする喧しい背景を作成します。Breakthrough Listenサーベイは、他の電波源から何を区別するかの周期的な特徴を検索するために、大量のデータを処理するための洗練された信号処理アルゴリズムを採用しました。

数十年の検索にもかかわらず、Sagittarius A*の近くで確認されたパルサーはほんの数個です。検出の乏しさ自体がパズルになっています。モデルは銀河中心に数千のパルサーが存在するはずだと予測していますが、ほんの一握りしか見つかっていません。それぞれの新しい検出は、この極端な環境におけるパルサー個体群についての私たちの理解を制約するのに役立ちます。

確認はまだ必要です

研究者たちは、検出と観測された信号の代替説明を除外するための追跡観測が進行中である確認済みのパルサーではなく、候補として彼らの検出を分類するために慎重です。信号の周期的性質とスペクトル特性はミリ秒パルサーと一致していますが、検出が決定的と見なされる前に、追加の観測エポックからの独立した確認が必要です。

現代天体物理学の協力的な精神を反映する動きで、研究チームはデータを公開し、世界中の天文学者に観測を独立して分析するよう促しています。この開かれたアプローチは検証プロセスを加速させ、より広い科学コミュニティがランドマーク発見である可能性のあるものに貢献することを可能にします。

今後へ向けて

確認されれば、このパルサーは銀河中心の近くで知られているパルサーの非常に小さなクラブに加わり、このエリアで検出された最初のミリ秒パルサーになります。その急速な回転（高精度タイミングを提供）と最も巨大な銀河中心の周辺におけるそれの近接性は、天体物理学者が数十年間追求してきた科学的機会を作成します。

オーストラリアと南アフリカで現在建設中のSquare Kilometre Arrayを含む次世代の電波望遠鏡は、困難な環境でパルサーを検出するためにさらに大きな感度を持つでしょう。しかし、今のところ、Green Bank Telescopeとこのプログラムは、十分な忍耐力、感度、分析的なわかりやすさをもってすれば、銀河中心は1秒に1パルスずつ、ゆっくりと秘密を与えることが実証されています。

この記事は、Science Dailyのレポートに基づいています。元の記事を読む.