パルサー

死んだ星が宇宙の灯台になるまで

ステップごとに

都市サイズの星

太陽の8倍を超える重さの星が死ぬと、中心核がつぶれて中性子星になります。太陽の約1.4倍の質量が、直径およそ22 kmの球に詰まっています。

大きな星は、中心核で軽い原子を融合させて重い原子にすることで輝いています。中心核が鉄になると、その火は消えます。鉄を融合してもエネルギーは生まれないからです。支えを失った、地球ほどの大きさの中心核は、1秒もかからずに自らの内側へ崩れ落ちます。

押しつぶす力はすさまじく、電子が陽子に押し込まれて中性子に変わります。崩壊が止まるのは、中性子が原子核の中と同じくらいぎっしり詰まったときです。星の残りは超新星爆発で宇宙へ吹き飛ばされ、あとに中性子星が残ります。

ブラックホールを除けば、これより高密度なものは知られていません。中性子星の物質を角砂糖ひとつ分集めると、地球上の全人類を合わせたほどの重さになります。その重力は光を曲げます。周りの引き伸ばされた星の輪は、その引力で曲げられた星の光で、表面のおよそ5分の4が一度に見えます。

回転する磁石

崩壊によって自転は速まり、磁場は地球の数兆倍にまで押し縮められました。磁極は自転軸から傾いています。

腕を縮めると速く回るフィギュアスケーターを思い浮かべてください。死にゆく星の中心核はゆっくり回っていましたが、地球ほどの大きさから都市ほどの大きさに縮むと、何十万倍も速く回るようになりました。生まれたての中性子星は1秒間に何回も回転できます。

圧縮によって星の磁場もずっと狭い空間に押し込められ、とてつもなく強くなりました。マグネターと呼ばれる一部の中性子星は、さらに1000倍も強く、知られている中で最強の磁石です。

地球と同じように、磁極は自転軸が突き出る場所にはありません。白い破線は星が回る軸、紫の破線はそこから傾いた磁軸です。この傾きこそが、星を灯台に変えるのです。

2本のビーム

磁極の上では、表面から引きはがされた粒子が磁場に沿って飛び出し、細い電波ビームを2本放ちます。電波は目に見えないので、ここでは緑色で描いています。

回る磁石は電気を生みます。発電所の発電機はこの仕組みで動いています。中性子星は巨大な発電機です。その自転は何兆ボルトもの電圧を生み、表面から電子などの電気を帯びた粒子を引きはがすほどです。

電気を帯びた粒子は、針金に通したビーズのように、磁力線に沿ってしか動けません。それぞれの磁極の上では磁力線が宇宙へと伸びていて、そこで粒子はほぼ光の速さで外へ放り出されます。その途中で、細い円錐の中に電波を放ちます。これがビームです。粒子がどうやって電波を出すのか、正確なところは科学者がいまも解明に取り組んでいる謎です。

ビームのエネルギーは星の自転から来ているので、どのパルサーも何百万年もかけて少しずつ遅くなります。かにパルサーやほ座パルサーのように、可視光やX線、ガンマ線でも点滅するものもあります。

宇宙の灯台

星が回ると、ビームは灯台の光のように空を掃きます。ビームが地球をよぎるたびに、電波望遠鏡がパルスをとらえます。

ビームは磁極に固定されていて、磁極は傾いているので、星が回るとそれぞれのビームが空に円を描きます。星がついたり消えたりしているわけではありません。灯台の明かりのようにずっと輝いていて、ビームがこちらを向いたときだけ閃光が見えるのです。

金色の矢印は地球の方向を示しています。文章の上の緑の線は、地球の電波望遠鏡が記録する電波信号です。ビームがよそを向いているあいだは平らで、ビームが私たちをかすめるたびに山が立ちます。

ほとんどのパルサーのビームは地球を横切らないので、私たちにはまったく見えません。それでも、これまでに4,000個以上のパルサーが見つかっていて、そのほぼすべてが私たちの天の川銀河の中にあります。

本当の速さ

スローにすると1回転ずつ追えます。ほ座パルサーは実際には1秒に11回転、知られている最速のパルサーは716回転します。パルサーを選んで見て、聴いてみましょう。

ここまでは、目で追えるように回転を遅くしていました。上のボタンでスローモーションと実速度を切り替えられます。その隣のリストには本物のパルサーが4つあり、最初に見つかった、1.34秒に1回転するものから、知られている中で最速のものまで選べます。

最速のPSR J1748−2446adは1秒間に716回転し、赤道は光速の約5分の1で回っています。これほど速いパルサーは、もう一度回転を速められた年老いたパルサーです。伴星がガスを注ぎ込み、メリーゴーラウンドを押す手のように、どんどん速く回したのです。

音をオンにすると違いが聞こえます。遅いパルサーは太鼓のように打ち、速いものはブーンとうなり、1秒に何百回ものパルスになると、拍が溶け合ってひとつの音程になります。

光円柱

磁場は星に根を下ろし、車輪のスポークのように星と一緒に回っています。スポークの外側ほど速く動くのは、メリーゴーラウンドの縁が真ん中より速く動くのと同じです。

その内側では磁力線は星に戻り、磁力線上の粒子は星と一緒に回ります。もっと外まで伸びるはずの磁力線は閉じることができず、開いてらせん状にたなびき、ほぼ光速の粒子の風を運び去ります。かにパルサーの周りでは、この風が差し渡し約11光年のかに星雲全体を輝かせています。

空の時計

1967年、ジョスリン・ベル・バーネルが最初のパルサーを発見しました。パルサーはとても正確に時を刻むので、パイオニアとボイジャーに載せた14個のパルサーの地図は、私たちの太陽の位置を示しています。

1967年、ケンブリッジの大学院生ジョスリン・ベル・バーネルは、自分も建設を手伝った電波望遠鏡の記録紙に、ちょっとした「汚れ」を見つけました。1.34秒おきに、時計のように規則正しく並ぶパルスです。チームはなかば冗談で、この電波源を「little green men（小さな緑の宇宙人）」からLGM-1と呼びました。やがて同じような電波源がほかにも見つかり、それが回転する中性子星だとわかったのです。

この発見に対する1974年のノーベル賞は、彼女の指導教員アントニー・ヒューイッシュに贈られ、彼女には贈られませんでした。2018年、彼女は300万ドルのブレイクスルー賞を受け、物理学で少数派となっている人々の学生を支援するため、その全額を寄付しました。

最も速いパルサーは、原子時計に迫るほど正確に時を刻みます。1992年には、あるパルサーの時刻測定から、ほかの恒星を回る惑星がはじめて見つかりました。また、68個のパルサーを15年間測り続けた天文学者たちは、2023年、空間そのもののさざ波である重力波が天の川銀河を通り抜けている兆候を見つけました。

パイオニアの金属板とボイジャーのレコードに描かれた地図は、太陽から見た14個のパルサーの方向、距離、リズムを示しています。パルサーは一定のペースで遅くなるので、これを見つけた者は、探査機がどこから来たかだけでなく、いつごろ旅立ったかも割り出せるのです。