「ブラックウィドウ」パルサーの研究における新たな進歩：宇宙の灯台？それとも血に飢えた殺人者でしょうか?

映画に登場する美しく冷血な「ブラック・ウィドウ」をご存知かもしれませんし、ジャングルに生息する世界的に有名な毒蜘蛛の1つ「ブラック・ウィドウ」をご存知かもしれません。しかし、私たちの頭上の星空には「ブラック・ウィドウ」もいるってご存知ですか？これらは星座でもなければ、異星の怪物でもなく、天文学者によって宇宙で発見された特殊なタイプの天体です。

1988年、フルヒター氏とその同僚は有名なアレシボ電波望遠鏡を使用して、奇妙なミリ秒パルサーPSR B1957+20を発見しました。極から放出される放射線と高エネルギー粒子の風は伴星を加熱して蒸発させ、伴星の物質を表面から絶えず剥ぎ取り、徐々に質量を減らしています。想像力豊かな天文学者たちは、この行動が交尾後にパートナーを切り離すクロゴケグモの行動に似ていることに気づき、このパルサーを「ブラック・ウィドウ」と名付けました。

ブラックウィドウパルサーの模式図

(画像提供: NASA)

「ブラックウィドウ」パルサーはどれくらい「黒い」のでしょうか? PSR J1719-1438を例にとると、その伴星の質量は太陽の質量のわずか1000分の1であり、これは太陽系の木星に相当します。これは、この「ブラック・ウィドウ」が伴星を恒星から惑星へと吹き飛ばし、直接的に 1 レベルダウンさせたことを示しています。

こんなに残酷で血に飢えた「ブラック・ウィドウ」を作ったのは誰ですか?星の家系図を見て、その歴史を調べてみましょう。

ここで付け加えておきたいのは、宇宙にはクロゴケグモパルサーのいとこであるレッドバックパルサーが存在するということです。セアカゴケグモも非常に毒性の強いクモです。これら 2 種類のパルサーの公転周期はどちらも 1 日未満であり、その違いは伴星の質量にあります。クロゴケグモパルサーの伴星の質量は太陽の 5% 未満ですが、レッドバックパルサーの伴星の質量は太陽の 10 分の 1 から 1 倍です。

あなたはどこで生まれましたか？

恒星の質量が太陽の10倍を超えると、進化の最終段階で超新星爆発を起こし、半径15キロメートルの極めて強い磁場を持つ中性子星が形成されることが分かっています。一般的に言えば、この時点で星は光を発する核燃料がなくなるため、輝かしい生涯を終えようとしています。それを待っているのは、宇宙の緩やかな絶滅だ。

超新星図

(画像提供: NASA)

しかし、連星系の中性子星は「役に立つものを取る」方法を知っており、その運命を変えることができます。強力な重力を利用して、伴星から物質を剥ぎ取り、自身の質量を増加させます（このプロセスは集積と呼ばれます）。剥ぎ取られた物質が中性子星の表面に向かって落ちると、X線が放射されます。このようにして、中性子星は生まれ変わり、X線源として宇宙での舞台を続けます。この期間中、中性子星は伴星から物質を吸収して角運動量を獲得し、自身の回転速度を上げて、最終的に回転周期がわずか数ミリ秒のミリ秒パルサーになります。パルサーの高速回転と強力な磁場の複合効果により、表面の荷電粒子が加速され、電磁放射と高エネルギー粒子風が発生します。伴星が不運にもこの放射線に飲み込まれてしまうと、ブラックウィドウ連星系が形成されます。

ここで付け加えておきたいのは、パルサーは高速で回転する中性子星の一種であるということです。パルサーの放射線ビームが地球を横切るとき、望遠鏡を使ってパルサーのパルス信号を記録することができます。パルサーの安定した回転により、パルス信号は人間の「脈」と似た周期を持ち、暗闇の中で人々に道を示す灯台のように時々明滅します。そのため、パルサーは「宇宙の灯台」とも呼ばれています。

パルサーの模式図

(画像出典: https://outreach.atnf.csiro.au/)

どこへ行く？

では、ブラックウィドウパルサーの伴星は、長時間のパルス放射によって蒸発した後、完全に消えて、この連星系には孤立したミリ秒パルサーだけが残るのでしょうか?非常に可能性が高いです!実際、天文学者は数百の孤立したミリ秒パルサーを発見しており、これはミリ秒パルサーの総数の約 3 分の 1 を占めています。
これまでの研究では、ブラックウィドウパルサーが伴星を完全に破壊するには非常に長い時間がかかり、その時間は宇宙の年齢よりも長いことが分かっています。従来のブラックウィドウモデルでは、孤立したミリ秒パルサーを形成できないようです。

最近、雲南天文台の研究者らは、パルサー蒸発ヘリウム星のモデルを使用して、ある種のブラックウィドウパルサーシステムを構築した。彼らの計算によれば、伴星の質量は比較的短期間で極めて低い質量、つまり太陽の質量の1000分の1、あるいは10万分の1まで減少する可能性があるという。このとき、ブラック・ウィドウの伴星はパルサーの重力によって引き裂かれます。ブラックウィドウパルサーは、最終的には孤独なミリ秒パルサーになるでしょう。しかし、すべてのブラック・ウィドウ・パルサーは伴星を完全に破壊するのでしょうか?この問題はさらに研究する必要がある。

結論

これはブラックウィドウパルサーです。その破壊によって仲間は徐々に弱くなり、この世から消えてしまうこともある。しかし、私たちの遠くから見ると、それは暗い宇宙の中の灯台です。人類が将来地球を離れて新たな居住可能地域を探す計画を立てる場合、これらの「灯台」からかなりの距離を保たなければなりません。なぜなら、これらの「灯台」は「遠くの者と友好関係を築き、近くの者を攻撃する」という戦略を実行しているからです。近づいてみると、これらの「灯台」は実はクロゴケグモであり、隣にいる「仲間」全員を引き裂こうとしていることがわかります。

中国のスカイアイ

（写真出典：中国政府ウェブサイト）

2016年以来、貴州省にある我が国のSky Eye FASTは、いくつかのブラックウィドウパルサーを含む660個以上のパルサーを発見し、素晴らしい成果を上げています。私たちも、FAST の大釜のように時々空を見上げてみると、新しい「種」を発見できるかもしれません。

参考文献:

[1] バッタチャリヤS.、パピットA.、バッタチャリヤD.、2022、ASSL、465、319

[2] 郭 勇、王 剛、韓 哲、2022、MNRAS、515、2725

制作：中国科学普及協会

著者: 郭雲朗 (中国科学院雲南省天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会