宇宙の精密時計を探せ - SKAOが切り開くパルサー天文学の新時代 - 最新研究から読み解く天文学・宇宙物理学の最前線(8)

南アフリカとオーストラリアで建設が進むSKA Observatory(SKAO、Square Kilometre Array Observatory)は、次世代の大型電波望遠鏡計画である。日本はSKAOの正式加盟国ではないが、国立天文台などを中心に協力関係が進められており、SKAO CouncilにはObserverとして参加している。日本ではまだ一般的な知名度は高くないが、電波天文学の将来を担う国際観測施設として大きな期待を集めている。連載「最新研究から読み解く天文学・宇宙物理学の最前線」の過去回はこちらを参照。

SKAOは、オーストラリアに建設されるSKA-Low(50 - 350 MHz)と、南アフリカに建設されるSKA-Mid(350 MHz - 15.4 GHz)からなる。

段階的に建設・検証が進められており、2020年代後半にかけての第一期では、SKA-Lowが合計13万1,072本の対数周期ダイポールアンテナを256本ずつ512ステーションに配置し、SKA-Midは既存のMeerKAT電波望遠鏡を含む197基の可動式パラボラアンテナを配置する予定である。

今回紹介する論文「Pulsar Science with the SKAO」は、このSKAOによってパルサー研究がどのように進展するかを概観した展望論文である。新しい観測結果を報告するものではなく、SKAO時代に期待されるパルサー科学進展の全体像を概括したものだ。

パルサーが注目されるわけ

パルサーは高速回転する中性子星であり、ミリ秒から数秒程度の間隔で周期的な電波パルスとして観測される天体である。中性子星は重い恒星が超新星爆発を起こした後に残る高密度天体で、太陽程度の質量が半径10キロメートルほどの領域に押し込められている。

パルサーの想像図

強い磁場を持つ中性子星が高速で自転すると、磁極付近から放射される電波ビームが宇宙空間を掃く。そのビームが、灯台の光のように地球方向を横切るたびに、私たちは規則正しいパルスとしてそれを観測する。

特に重要なのがミリ秒パルサーだ。これは数ミリ秒から数十ミリ秒という極めて短い周期で自転するパルサーで、パルスの周期が非常に安定している。そのため宇宙の「精密時計」としての活用が注目されている。SKAOが目指すパルサー科学の中心には、この精密時計を多数発見し、長期間にわたって測り続けるという構想がある。

現在、知られているパルサーは4000個を超えるが、天の川銀河内にはそれよりはるかに多くのパルサーが存在すると考えられている。論文では、SKA-LowとSKA-Midによるサーベイにより通常のパルサー約一万個、ミリ秒パルサー約800個の検出が期待されるとしている。これは既知パルサー数を大きく増やす規模であり、パルサーを使った宇宙物理学の土台を一変させる可能性がある。

重力波を調べる時計ネットワーク

では、より多くのパルサーを見つけることにはどんな意義があるのだろうか。ミリ秒パルサーを多数、長期間にわたって精密観測すると、パルス到着時刻のごくわずかなズレから、ナノヘルツ帯、すなわち周期が数年から数十年におよぶ低周波重力波を探ることができる。これはパルサータイミングアレイ(PTA)と呼ばれる手法である。

地上の重力波望遠鏡であるLIGOやVirgoが主に捉えるのは、恒星質量ブラックホールや中性子星が合体直前に高速で公転して放つ高周波の重力波である。

これに対しPTAが対象とするのは、銀河中心にある超大質量ブラックホール連星が、合体よりはるか前の段階でゆっくり公転しながら放つ低周波の重力波である。同じ重力波でも、発生源の質量、サイズ、時間スケールが大きく異なる。

また、連星パルサーは強重力場を調べる実験場にもなる。中性子星同士、あるいは将来発見される可能性のあるパルサー・ブラックホール連星では、軌道の近星点移動、重力赤方偏移、シャピロ遅延、重力波放出による軌道周期変化などが高精度で測定できる。

これらは一般相対性理論の予言を検証するだけでなく、一般相対性理論を拡張・修正する代替重力理論を制限する手がかりにもなる。