何十年もの間、天文学者たちは宇宙の深部から届く謎の電波パルスを検出してきた。最も不可解なもののいくつかは、数分ごとに閃光を放つ連星系から来るもので、典型的なパルサーの高速なパルスよりもはるかに遅い。今回、カリフォルニア工科大学の研究者たちは、スーパーコンピュータシミュレーションを用いて、同期した恒星のペアがどのようにしてこれらの長周期の宇宙電波バーストを生成するかを正確に示した。
より遅い宇宙パルス
ほとんどの電波パルサーは、信じられないほどの速度で回転する中性子星であり、放射線のビームを毎秒数回地球に向けて掃引している。しかし、この新しい研究の対象となる天体は、はるかに長いタイムスケールでパルスを発し、数分ごとに規則的なバーストを放出している。これらの強力なビームは通常の電波ではなく、極限状態で生成されるレーザーの電波版であるメーザーである。
これまで、科学者たちはこれらの長周期バーストが、白色矮星とM型赤色矮星を含む連星系に関連していると疑っていた。2つの恒星は密接な重力ダンスで互いを周回し、その同期した相互作用が電波放射を増幅すると考えられていた。しかし、メーザー作用の背後にある正確な物理プロセスは不明のままであった。
宇宙の電波レーザーの説明
メーザーは、マイクロ波または電波放射の自然発生する増幅器である。宇宙では、エネルギーを得た粒子が磁力線に沿ってらせん状に移動し、コヒーレントなエネルギーバーストを放出する領域でよく見られる。これらの放射の背後にあるメカニズムは、電子サイクロトロンメーザー不安定性（ECMI）として知られている。電子が磁場中で加速されると、磁力線の周りの回転に関連する特性周波数で放射を放出する。特定の条件下では、この放射は強力で焦点の合ったビームに増幅される。
新たにシミュレートされた連星系では、白色矮星の磁場が支配的な力である。2つの恒星が軌道を回るにつれて、白色矮星の磁場はM型矮星を横切り、それらの間の空間に巨大な電流を駆動する。これらの電流は電子をエネルギー化し、結果として生じるECMIが、天文学者を困惑させてきた長周期の電波パルスを生成する。シミュレーションは、2つの恒星の同期が重要であり、各軌道が不安定性を引き起こし、パルスを生成することを示している。
白色矮星とM型矮星の関係
白色矮星は、核燃料を使い果たした太陽のような恒星の高密度でコンパクトな残骸である。M型矮星は、M型赤色矮星とも呼ばれ、主系列星の中で最も小さく、最も低温の部類に属する。密接な連星系でペアになると、それらの磁場は劇的な方法で相互作用する。
新しい研究によると、白色矮星の磁力線はM型矮星のものよりもはるかに強く、電波放射の生成に重要な役割を果たしている。M型矮星が白色矮星の磁場の中を移動すると、磁気発電機の中を移動する導体のように振る舞い、巨大な電流を生成する。この電流は磁力線に沿って流れ、ECMIに電力を供給する。
その結果、灯台のように宇宙を掃引するコヒーレントな電波ビームが生成される。連星系が軌道を完了するたびに、ビームは地球に向き、規則的なパルスを生成する。これは、観測されたバーストが数分ごとに繰り返される理由を説明しており、連星系の軌道周期と一致している。
メーザーエンジンのシミュレーション
この研究は、The Astrophysical Journal Lettersに掲載され、シャーマン・フェアチャイルド博士研究員（理論天体物理学）のYici Zhong氏と、理論天体物理学の助教授でウィリアム・H・ハート学者のElias R. Most氏が主導した。両氏はともに、カリフォルニア工科大学の理論天体物理学（相対論と宇宙論を含む）グループおよびウォルター・バーク研究所のメンバーである。
Zhong氏とMost氏は、これらの連星系が宇宙に向けて発射するメーザーにどのように電力を供給しているのかについて、初めて明確なエンドツーエンドの全体像を提供するスーパーコンピュータシミュレーションを構築した。モデルは、恒星間の電流の流れと結果として生じる電波放射を追跡し、ECMIが実際に望遠鏡で観測される長周期バーストの原因であることを実証した。
これらの発見は、相互作用する白色矮星を含む連星系からの電波放射を理解するための直接的な計算フレームワークを天文学者に提供する。以前は、研究者は間接的な推論と単純化されたモデルに頼らなければならなかった。新しいアプローチは、同様のシステムの挙動を予測し、将来の観測を解釈するために使用できる。
おなじみのパターン：木星とイオ
興味深いことに、白色矮星とM型矮星の連星系からの電波パルスは、木星系で観測される惑星電波放射と強い類似性を持っている。天文学者たちは1955年にこれらのバーストに最初に気づき、その原因を説明しようと何年も費やした。1969年、カリフォルニア工科大学の科学者ピーター・ゴールドライヒ、リー・A・デュブリッジ教授、ドナルド・リンデン＝ベルは、そのパズルの一部を解いた。彼らは、衛星イオが木星の磁場を掃引する際に、木星と最も内側のガリレオ衛星イオの間に強力な電流が流れると提案した。
彼らの理論によると、イオの軌道運動は、イオを木星の磁気圏に接続する管の形をした100万アンペアの電流の流れを生成する。この予測は後に直接的な衛星画像によって確認された。他の研究は、同様のプロセスが恒星連星系でも動作する可能性があることを実証し続けたが、新しいシミュレーションは、放射がどのように生成されるかについてのこれまでで最も詳細な全体像を提供する。
シミュレーションが明らかにすること
シミュレーションは、長周期電波バーストの生成についていくつかの重要な洞察を提供する：
- メーザー放射の主な駆動源は、M型矮星ではなく、白色矮星の磁場である。
- 電子サイクロトロンメーザー不安定性は、恒星間を流れる電流が臨界閾値に達すると、これらの連星系で自然に発生する。
- 連星系の軌道周期が電波パルスの繰り返し率を決定し、観測された数分の間隔を説明する。
- 電波放射は指向性が高いため、ビームがたまたま地球を横切るときにのみこれらのバーストを検出できる。
この研究はまた、計算天体物理学の力を実証している。スーパーコンピュータシミュレーションにより、研究者は実験室で再現するには極端すぎる環境を調査し、天文学的なタイムスケールで展開する現象を研究できる。カリフォルニア工科大学チームのモデルは、他の連星系構成に適応でき、宇宙メーザーのさらなる発生源を明らかにする可能性がある。
将来の観測への影響
今後、より高感度の電波天文台が空をスキャンするにつれて、これらの興味深いシステムがさらに発見される可能性が高い。長周期電波トランジェントは長年にわたって観測上の謎であり、白色矮星とM型矮星の連星系におけるECMIにそれらを結び付けることは、将来の観測でテストできる一貫した説明を提供する。
新しいシミュレーションはまた、予測ツールも提供する。既知の連星系からの予想される電波放射をモデル化することにより、天文学者は観測を理論的予測と比較し、どのシステムがメーザーを生成する可能性が高いかを特定できる。これは、フォローアップ観測のターゲットを優先し、これらの宇宙電波レーザーのさらなる発見につながる可能性がある。
より広い文脈では、連星系がどのようにコヒーレントな電波放射を生成するかを理解することは、極限環境における基礎的なプラズマ物理学に光を当てる。また、恒星天体物理学と惑星科学を結び付け、恒星系で電波バーストを生成するのと同じプロセスが、私たちの太陽系内の木星とその衛星イオの間でも働いている。
カリフォルニア工科大学の研究は、これらの同期した恒星電波パルスの謎を解明する大きな一歩をもたらした。メーザーメカニズムを詳細にモデル化する新たな能力により、宇宙の電波レーザーはもはやそれほど謎めいていない。それらは単に、強力な磁場の影響下で連動して動く恒星のもう一つの結果である。
この記事はUniverse Todayの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on universetoday.com