観測史上最軽量の連星中性子星系を発見

中国の研究機関が、これまでで最も低い総質量を持つ連星中性子星系「PSR J1856–0039」を発見した。この系の軌道収縮がアインシュタインの一般相対性理論の予測と一致することが確認され、理論検証の重要な対象になった。

中性子星は、質量の大きな恒星が爆発で終焉を迎えた後に残される、極めて密度の高い天体である。パルサーと呼ばれる中性子星の中には、高速で回転して電波を放出し、地球からはパルスのように見える種類がある。一般相対性理論によれば、軌道を回る中性子星のペアは時空に波紋を生じさせる重力波を放出するはずで、このエネルギー放出によって二つの星は徐々に接近し、公転周期は短縮していくと予測されている。

中国科学院と国家天文台などの研究チームは、この予測を検証するため、中国のFAST（五百メートル口径電波望遠鏡）で発見されたPSR J1856–0039を調査対象に選んだ。2020年5月に初検出されたこの系は、確認されたすべての連星中性子星系の中で2番目に短い軌道周期（2.36時間）を持つ。FASTの優れた感度により、微弱な信号源からも高い信号対雑音比を達成することが可能になった。研究チームは2020年から2025年にかけて17回の観測セッションを通じて253個のパルス到達時間の測定値を取得し、Tempo2という専門ソフトウェアを用いて精密な分析を行った。これらの測定を元に相対論的効果を示す3つのパラメーターを抽出し、個々の中性子星の質量を決定した結果、既知のすべての連星中性子星系と比較して最も低い総質量を記録したのである。

この発見の重要性は複数の点に集約される。第一に、パルスの到達時間の微細な変化から軌道周期の短縮、近日点の進行、アインシュタイン遅延という三つの相対論的効果が測定され、これらの観測値が一般相対性理論の予測と合致していることが確かめられた。第二に、この系は相対論的効果の強さが確認された連星中性子星系の中で2番目に強く、フレームドラッギング効果（レンゼ・ティリング効果）を検出する最高の可能性を秘めている。第三に、最も低い総質量を持つという特性から、これら両星の合体時には中性子星の安定体が生成される可能性が高く、ブラックホール化せず、したがって超高密度物質の状態方程式に関する独特の情報がもたらされると考えられる。研究チームの推定では、この二つの中性子星は約82百万年後に合体する予定である。同研究チームは、今後10年にわたって当該システムの長期監視を継続し、中性子星の自転が軌道に与える影響を調査し、極限状態での物質の振る舞いをさらに詳しく明らかにしようとしている。

日本の製造業にとっても、こうした基礎科学の大型国際プロジェクトは無視できない。FASTなどの次世代電波望遠鏡は、超精密な機械加工、高度な電子機器、データ処理システムなど日本の得意分野と直結しており、観測機器の部品供給やシステム開発の協業機会が拡大している。また、中性子星の合体現象の解明は、超高圧・超高密度環境での材料の振る舞いの理解にもつながる可能性があり、極限環境での素材研究を進める企業にとっても参考価値を持つであろう。

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