1

パルサー

参考文献“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith (CAMBRIDGE)

“Handbook of Pulsar Astronomy” Lorimer & Kramer (CAMBRIDGE)

“宇宙物理学” 佐藤・原（朝倉書店）“宇宙の灯台” 柴田晋平（恒星社厚生閣）読み物

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中性子星

• 理論的な予言– １９３２

• 中性子の発見（チャドウィック）

– １９３４• 中性子星の存在を予言（バー

デ・ツヴィッキー）

– １９３９• 直径・質量・密度などの研究

（オッペンハイマー・ヴォルコフ）

– １９６４• 強い磁場の存在の予言（ホイ

ル・ナーリカー・ウィーラー）

– １９６７• かに星雲のエネルギー源として

の中性子星の回転（パチーニ）

• １９６７年末 パルサーとして発見

• 特徴– 質量 ～1 Mo

• 恒星の爆発で生じるため、太陽質量程度

– 半径 ～10 km

– 密度 ～1017 kg m-3=1014 g cm-3

– 組成 ほとんど中性子、表面に原子の地殻

– 磁場 ～108 T

• cf. 実験室で作る磁場 ～102 T

– 自転 ～1-100 Hz

• 地球 ～ 10-5 Hz

• 太陽 ～ 3 x 10-7 Hz

極めて特異な性質実際に発見されるまで、多くの研究者は半信半疑だった

3

中性子星の回転と磁場

• 高速回転する理由– 角運動量保存の法則

– 何らかの理由で慣性モーメント Ｉが小さくなれば角速度ω は大きくなる

– 太陽が中性子星になったと仮定（実際にはならないが）

• 太陽– 質量 ２×１０３０ｋｇ– 半径 ７×１０８ｍ– 自転周期 ２．３×１０６ｓ

• 中性子星– 半径 １×１０４ｍ

• 超強力磁場が存在する理由– 恒星表面を貫いていた磁束は、恒

星が中性子星に変化しても保存する

• B 磁束密度• S 恒星の表面面積

– 太陽が中性子星になったと仮定• 太陽

– 半径 ７×１０８ｍ– 磁束密度 １０－１Ｔ

• 中性子星– 半径 １×１０４ｍ

ωω ′′== IIL

自転周期 P’ = 5×10-4 s

１ミリ秒以下で回転させうる実際には角運動量も爆発の際にニュートリノなどが持ち去るのでそれほど高速にはならない

SBBS ′′==Φ

B = 5×108 T

4

磁気双極子放射

• 時間的に変動する磁気双極子による電磁波の放射

– 磁気モーメント m

• S : 磁束が貫く面積

• L : 磁束が貫く長さ

• S = L2 = R（パルサー半径）と仮定

• 磁気双極子の放射光度

• 例：Crab パルサー

– Ｂ＝１０９Ｔ

– Ｐ＝０．０３３ｓ

• cf. 太陽光度 Lo=4 x 1026 J/s

( )23

0

6m

cL &&

πµ

=

( )

( ) 4

0

3

23

4

0

3

23

2

6

6

=

=

Pc

BR

c

BRL

πµπ

ωµπ

L = 2 x 1031 J/s

SLB

m

0µ≈

tRB

m ωµ

sin3

0

≈ ・・・回転

膨大なエネルギーを放出しうるただし単純に考えると、回転周期（1~100 Hz）

程度の低い周波数の電磁波が放射されそう

5

パルサーの発見• 観測装置

– クエーサーの星間シンチレーションを調べるための低周波数アレイ• 低い観測周波数 81.5 MHz

• 大きな集光面積 4 x 104 m2

• 高い時間分解能 τ < 0.1 sec• これらの特性は、パルサー発見に

好都合

• 発見（1967年11月）– Hewish, Bell

– 1.337秒の周期的パルスの発見– PSR1919+21

• 正体について様々な考えがあったが、すぐに回転する中性子星であることの共通認識が得られた

• 研究の展開– 一般相対論の研究

• 重力波の存在を検証

– 宇宙論的な重力波背景放射• パルス周期の揺らぎから背景重

力波の存在を調べる研究

– 恒星物理・超新星爆発• 爆発の残存物、爆発に対する境

界条件を与える

– 連星の進化• 連星系がパルサーの存在形態に

大きくかかわっているらしい

– 星間物質• 分散指数・回転指数の観測から、

星間物質・星間磁場を調べる

– 位置天文学• 理想的な点源

– プラズマ物理・電磁気学• いかにして電波放射を作り出すか

– 超高密度・超高磁場物質の物性• サイクロトロン共鳴など、地上では

実現できない物性現象の発現

• パルサーは天体物理の実験室– ノーベル賞２回

6パルサーを発見した電波望遠鏡とベル（１９６８年）

パルサー発見のチャート記録

Kraus “Radio Astronomy”

7

余談：宇宙関係のノーベル賞受賞者• 1936年

– ビクター・フランツ・ヘス (Victor Franz Hess)• 宇宙線の発見

• 1948年– パトリック・ブラケット (Patrick Maynard

Stuart Blackett) • ウィルソンの霧箱による原子核物理学および

宇宙線の分野における発見

• 1967年– ハンス・ベーテ (Hans Albrecht Bethe)

• 原子核反応理論への貢献、特に星の内部におけるエネルギー生成に関する発見

• 1974年– マーティン・ライル (Sir Martin Ryle)

• 電波天文学における先駆的研究（観測、特に開口合成技術の開発）

– アントニー・ヒューイッシュ (Antony Hewish) • 電波天文学における先駆的研究（パルサーの

発見に果たした決定的な役割）

• 1978年– アーノ・ペンジアス (Arno Allan Penzias)

– ロバート・ウィルソン (Robert Woodrow Wilson) • 宇宙マイクロ波背景放射の発見

• 1983年– スブラマニアン・チャンドラセカール

(Subramanyan Chandrasekhar) • 星の構造および進化にとって重要な物理的過

程に関する理論的研究

– ウィリアム・ファウラー (William Alfred Fowler) • 宇宙における化学元素の生成にとって重要な

原子核反応に関する理論的および実験的研究

• 1993年– ラッセル・ハルス (Russell A. Hulse)

– ジョゼフ・テイラー (Joseph H. Taylor Jr.) • 重力研究の新しい可能性を開いた新型連星パ

ルサーの発見

• 2002年– レイモンド・デービス (Raymond Davis Jr.)

– 小柴昌俊• 天体物理学とくに宇宙ニュートリノの検出に対

する先駆的貢献

– リカルド・ジャコーニ (Riccardo Giacconi) • 宇宙X線源の発見を導いた天体物理学への先

駆的貢献

• 2006年– ジョン・C・マザー(John C. Mather)

– ジョージ・F・スムート(George F. Smoot) • 宇宙マイクロ波背景放射の黒体放射との一致

と非等方性の発見理論 電波 高エネルギー

8

Crab（かに）パルサー

• かに星雲– １０５４年に爆発した超新星の

残骸

– １９６８年、かに星雲の中にパルサー発見

• 超新星爆発によってパルサー（中性子星）が形成されることを証明

• 光学的にも明滅が観測された

• 毎秒３３回という高速回転

• 減速率の詳しい観測

• Ｘ線ジェットが発見される

• ・・・

パルサー研究・天文学全般における重要な天体

9

パルサー：強い磁場を持ち、回転する中性子星

• 強力な磁場と高速回転– 強い指向性（ビーム）を持つ

電波放射をする中性子星

• 自転にともなってビームが地球を向く瞬間、パルスが観測される

• 電波放射メカニズムは、完全には理解されていない

ωrc = c/ω

電波ビーム閉じた磁場

開いた磁場

光円柱

10

銀河系内の分布• １０００個以上のパルサーが見つかっている

– 銀河面に密集しているが、高銀緯にも分布する

– 固有運動の観測により、高速で運動するものが多い

• 超新星の非対称爆発によるキック、連星系の崩壊による放出？

“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith

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パルサーの観測的パラメータ

• パルス周期 P

– ～１０桁、極めて高精度

• 周期変化率

– パルス周期は一般に増大（回転速度は低下）する

• パルス波形– 天体によって様々、周波数に

よっても様々

– 中間パルスが存在するものも

• 偏波 I,Q,U,V

– 直線偏波・円偏波を示す

– １パルス中に偏波の向きが変化する

dt

dPP =&

Crab パルサーの波形

“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith

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パルサーの観測的パラメータ• 遅延－周波数関係 DM

– パルス到来時刻は周波数が低いほど遅い

– 電離した星間ガスの周波数分散現象（伝播効果）

– パルス到来時間

– 伝播遅延は周波数の－２乗、見通す経路の電子数密度に比例

– 電子数密度を視線方向に積分した値を分散指数（Dispersion Measure）と呼ぶ

• ファラデー回転 RM– 直線偏波は周波数によって

偏波角が変化する– 電離した星間ガスと視線に平

行な磁場による伝播効果– 偏波面回転角

– 偏波面回転角は周波数の－２乗、見通す経路の電子数、視線に平行な磁場に比例

– 電子数密度×磁場を視線方向に積分した値を回転指数（Rotation Measure）と呼ぶ

∫+=L

edln

mc

e

c

LT

02

0

2

2

8 νεπ dlBncm

e L

e∫=0

||22

0

2

3

8 νεπθ

DMDispersion Measure

RMRotation Measure

観測可能な量 ne, L, B|| の推定

13

周波数分散とファラデー回転• 周波数分散の観測結果

– この例では、100MHzでパル

ス１周期分の遅延がある

• ファラデー回転の観測結果– 磁場強度

• ＤＭとＲＭから磁場の強度がわかる

– 磁場の向き

• 磁場の向きによって、回転角の正負が決まる

• 回転角の観測から、銀河系内の磁場の向きがわかる

→銀河系の磁場は「腕」ごとに向きが逆になっている

DM

RM

dln

dlBn

BL

e

L

e

=∝

∫∫

0

0||

||

１周

期分

の遅

延

“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith

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銀河系内の磁場の向き

太陽系

銀河中心

銀河面を北から見た図

観測で得られた視線方向の磁場成分

推定される銀河系磁場の分布

“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith

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パルサーの距離

• 銀河系内ＨＩに対する位置– 銀河系内のＨＩの分布は良くわ

かっている

– 明滅するパルサーの性質を利用

– パルサーがＯＮ

• パルサーと観測者間のＨＩは吸収

– パルサーＯＦＦ

• 吸収なし

ＯＮ－ＯＦＦそれぞれのスペクトルを観測すると、ＨＩに対するパルサーの位置がわかる

吸収あり：このパルサーはこの雲より遠い

吸収なし：この雲より近い

吸収量

“Pulsar Astronomy” Lane & Graham-Smith

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パルサーのパルス周期

名前 パルス周期 周期変化率

かにパルサー

プリンストン大学のパルサーカタログより抜粋分散指数

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パルサーのスペクトル

• 電波～ガンマ線まで広い範囲の電磁波で放射– 放射メカニズム

– 強い磁場の存在、偏波した放射などから、サイクロトロン・シンクロトロン放射が作用していることは明らか

– 極めて短いパルス幅（1msec）は、放射領域が極めて小さいことを意味する

– 放射エネルギー• L ~ 1031 Js-1

しかし、どのように放射が生じているのか、完全には理解されていない

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パルサーのエネルギー

• 回転エネルギー– パルサーの周期

P = 4 ~ 0.0016 sec

– 半径 R = 104 m

– 質量 M = 2 x 1030 kg

– 慣性モーメント I = 1038 kg m2

– 回転エネルギー E = 1038-45 J

• 回転エネルギーの源– 中性子星形成時の重力エネルギー

（1046 J）の一部を使って回転エネルギーを付与可能

– 重力収縮→角運動量保存→回転速度増加→回転エネルギー増加

• 回転エネルギーを放射に転換

• Crab パルサー

LPIPdt

dEE

IPP

IIE

−=−==

=

==

−

−

&& 32

22

2

2

4

22

2

1

2

1

π

ππ

ω

回転エネルギー損失率 エネルギー放射率

[ ][ ]

[ ]J/s105.4

s/s109599.420

J10~

[s]0940334033474.0

31

15

42

×=→

×=

→

=

−

E

P

E

P

&

&

観測された L=1031 J/s を説明できる∴Crab パルサーは回転エネルギーで輝いている

19

エネルギー損失と年齢・磁場

• エネルギー損失率から年齢τ を推定

• 磁気双極子放射によるエネルギー損失から、磁場強度を推定

( )PIPE

Pc

BRL && 32

4

0

3

23

42

6

−=−=

= ππ

µπPIPdt

dEE

IPP

IIE

&& 32

22

2

2

4

22

2

1

2

1

−

−

−==

=

==

π

ππ

ω

P

P

E

E

&& 2=−=τ

周期と周期変化率がわかれば、パルサーの年齢を推定できる

( )

( ) [ ]T 103

80

3

2

115

2

12

1

43

3

0

PP

PPR

McB

&

&

×=

=

πµ

周期と周期変化率がわかれば、パルサーの磁場を推定できるCrab パルサーの場合 τ = 1400 yr

実際の年齢は 950 yr ・・・まずまずの推定値

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パルサーの回転周期（P）・減速（dP/dt）と年齢・磁場

P&

P

等年齢線

等磁場強度線1010 T

時間

変化

の方

向

ミリ秒パルサー進化過程は未知

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ミリ秒パルサー・

• ミリ秒パルサー– 周期が数ミリ秒の高速回転

– 減速率が小さく、若いパルサーではない

– 磁場は弱い（τ ~109 yr）– 連星からのガスの流入で回

転が高速化したと考えられている

– 最近、球状星団中に多数発見されている

• パルサー・タイミング– ミリ秒パルサーの回転は極

めて高安定

– タイミングの正確な計測によって、逆に時系を構築する研究

６年間で１μ秒以下のずれ（PSR B1855+09）

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連星パルサー

• 質量の推定– 連星系の軌道から、パル

サーの質量を推定

• 一般相対論・重力波の存在– PSR B1913+16

• 質量がともに1.4 Moの中性

子星（片方がパルサー）

• 公転周期 0.323日

– 近接しているので、一般相対論的な効果が顕著

– 重力波放射による軌道運動エネルギーの損失

• 軌道周期の減少

( ) 121009.040.2 −×±−=bP&

公転軌道周期の変化率

一般相対論による「重力波によるエネルギー放出」の予想値に一致

重力波の存在を間接的に証明