連星パルサー

連星パルサーとは

連星パルサー、またはパルサー連星とは、少なくとも一方の構成要素が中性子星パルサーである連星系を指します。特に、PSR J0737-3039のように、両方の星がパルサーである「二重パルサー連星」も存在します。これらの連星系は、非常に強い重力場を形成するため、アインシュタインの一般相対性理論を検証するための理想的な環境を提供します。

連星パルサーの発見と意義

1974年、ジョゼフ・テイラーとラッセル・ハルスは、アレシボ天文台での観測で、初の連星パルサーPSR B1913+16を発見しました。この発見は、1993年のノーベル物理学賞受賞につながりました。ハルスは、PSR B1913+16のパルスの周期が規則的に変化していることに気づき、それがパルサーが伴星の周りを高速で公転していることによるドップラー効果によるものだと結論付けました。

パルサーが地球に近づくにつれてパルスは高頻度になり、遠ざかるにつれて低頻度になります。このパルスの変動を分析した結果、2つの星はほぼ同じ質量を持ち、伴星も中性子星である可能性が高いことが明らかになりました。現在でも、この連星系からのパルスは15マイクロ秒以内の精度で観測されています。

一般相対性理論の検証

PSR B1913+16の研究は、連星系の相対論的効果を初めて正確に測定することを可能にしました。2つの星が接近すると、重力場が強くなり、時間の流れが遅くなります。これにより、パルスの間隔が長くなる現象が観測されます。この時間遅延は、パルサーが一定の速度で公転していると仮定した場合の予測と実際の観測値とのずれとして現れます。

さらに、連星パルサーは、LIGOが重力波を直接検出するまで、重力波を間接的に検出する唯一の手段でした。アインシュタインの一般相対性理論によると、2つの中性子星が共通の重心を周回する際に重力波が放射され、それによって軌道エネルギーが失われるため、2つの星は次第に接近し、軌道周期が短くなるはずです。連星パルサーのタイミングのモデル化には、通常10個のパラメータを使用します。

PSR B1913+16の観測結果

PSR B1913+16の観測結果は、アインシュタインの一般相対性理論の予測とほぼ完全に一致しています。テイラーとジョエル・M・ワイズバーグらが収集したPSR B1913+16の軌道周期のデータは、相対性理論の予測を裏付けています。彼らは1982年に、観測された2つのパルサー間の最小距離が、軌道距離が一定であると仮定した場合とずれが生じていることを発表しました。その後、この系の軌道周期は年に約76マイクロ秒ずつ短くなっていることが発見され、その後の観測でもこの減少が確認されています。

連星系の相互作用

連星パルサー系では、伴星が膨張してパルサーに外層を転移させることがあります。この相互作用によって転移するガスが加熱され、X線が放射されることがあり、この段階はX線連星と呼ばれます。また、一方の天体からもう一方の天体への物質の流れによって、降着円盤が形成されることもあります。さらに、パルサーは相対論的な速度で粒子を吹き飛ばす「風」を発生させることがありますが、連星パルサーの場合、この風は伴星の磁気圏にも影響を及ぼし、パルスの放射に劇的な変化をもたらすことがあります。

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