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マグネターの表面は固体で、大気は存在しないことが新たに判明

星は固体の表面を持つことができるのか?直感に反すると思われるかもしれない。しかし、人間の直感は、地球での進化に対応したもので、そこには「上」は「上」、「下」は「下」、「物質には3つの状態がある」というものだ。しかし、宇宙を前にすると、直感は働かなくなる。

マグネターは、強烈な磁場を持つ死んだ星であり、我々が知る限り最も強烈なものである。中性子星の一種で、超新星爆発を起こした大質量星の残骸である。マグネターは中性子星に比べて磁場が強いだけでなく、自転速度が遅いという特徴がある。マグネターは10秒に1〜2回回転するのに対し、中性子星は1秒に10回という速さで回転している。

マグネターは、発見されるずっと以前から存在していたに違いないと科学者たちが推論していた宇宙天体の一つだ。マグネターの強力な磁場がゆっくりと減衰するにつれて、ガンマ線やX線が放出されるという仮説があった。磁場が崩壊するのに約1万年かかると言われている。現在、少なくとも31個のマグネターが見つかっており、研究者の計算では、天の川銀河には約3000万個のマグネターが存在しているとされている。

マグネターは強力なX線を放射し、不規則なバースト(爆発)を起こす。マグネターのバーストやフレアは、太陽が1年かけて放出するものを1秒で放出することがある。このような現象は、中性子星の磁場の1000倍以上の磁場が原因であると考えられている。

新しい研究によると、このマグネターのひとつは表面が固体で、大気がないそうだ。これは「4U 0142+61」と呼ばれ、地球から約13,000光年離れたカシオペア座の方向にある。この研究は「 Polarized x-rays from a magnetar,」で、学術誌「Science」に掲載された。主執筆者は、イタリア・パドヴァ大学のRoberto Taverna(ロベルト・タベルナ)博士だ。

この研究を可能にしたのが、2021年12月に打ち上げられた探査機だ。イタリア宇宙庁とNASAの共同ミッション「IXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer)」である。その名前から明らかなように、この探査機はX線の偏光を観測する。ブラックホール、パルサー、中性子星、マグネターなどのエキゾチックな天体には、X線を偏光させる極限環境がある。IXPEはこれらのX線を観測し、天体やその環境についての知見を得ることができる。マグネターの周りにある強力な磁場の解明は、IXPEの明確な目的の一つだ。

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2021年12月9日(木)、フロリダ州のNASAケネディ宇宙センターで、NASAのIXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer)探査機を乗せたSpaceX Falcon 9ロケットがLaunch Complex 39Aから打ち上げられた。IXPE探査機は、ブラックホールや中性子星など、さまざまな宇宙線源からのX線の偏光を測定することを目的とした初の衛星だ。(Credit: NASA/Joel Kowsky)

この研究が示すように、それは利益をもたらしている。

この研究は、科学者がマグネターからの偏光X線を初めて観測したことを意味する。IXPEは2022年1月から2月にかけて、合計840キロ秒(約233時間)マグネターを観測した。その観測で何がわかったのだろうか。

まず、偏光について少し説明しよう。

私たちが目にする光のほとんどは、偏光していない。つまり、光は進むにつれて複数の平面で「振動」し、複数の方向へ向かって進むのだ。太陽光、電灯、ろうそくの炎はすべて非偏光を放射している。

偏光とは、1つの面だけを振動させる光のことだ。皆さんも一度は偏光サングラスをかけたことがあるのではないだろうか。偏光サングラスは、他の平面で振動する光を遮断し、整列した光だけを目に届けることでまぶしさを軽減する。

X線も含めて光は電磁波なので、マグネターの周りにある非常に強力な磁場は光を偏光させることができる。その極性を測定することで、磁場や磁場を発生させている天体を推定することができるのだ。これがIXPEの使命であり、今回の研究の核心である。IXPEには3つの同じイメージングX線偏光計測システムがあり、冗長性のために独立して動作している。IXPEは偏光マップを作成し、マグネターなどの天体の周りの磁場の構造を明らかにする。

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IXPE宇宙船のイメージ (Credit: HEASARC (High Energy Astrophysics Science Archive Center.))

この論文の一文にあるように、「4U 0142+61 の IXPE 観測は、マグネターからの偏光放射を世界で初めて測定したものである。
マグネターからの偏光放射をX線で測定した最初の例である。” とあります。

研究者たちは、X線が大気を通過した場合にあるべき偏光よりも、はるかに低い割合の偏光を発見しました。マグネターの周囲にある大気は、フィルターのような働きをして、1つの偏光状態の光しか通さないのです。

また、偏光の角度(ウィグル)が、高エネルギー側と低エネルギー側でちょうど90度反転していることもわかった。マグネターの理論モデルは、磁場に囲まれた固体表面がこのような観測結果をもたらすとしている。

主著者のタベルナ氏は、「私たちが観測できた最もエキサイティングな特徴は、エネルギーによって偏光方向が変化し、偏光角が正確に90度振れることです」と述べています。「これは、理論モデルが予測するものと一致しており、マグネターが実際に超強力な磁場を備えていることを裏付けています”。

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IXPE宇宙船の構成図 (Credit: NASA)

共同研究者のSilvia Zane(シルビア・ゼイン)教授(UCLマラード宇宙科学研究所)とIXPE科学チームのメンバーは、「これは全く予想外でした。私は大気が存在すると確信していました。この星のガスは、水が氷になるのと同じように、転換期を迎えて固体になったのです。これは、この星の信じられないほど強い磁場の結果です。」と述べている。

しかし、水と同じように、温度も要因です。高温のガスは、固体になるために、より強い磁場を必要とします。次のステップは、同じような磁場を持つ高温の中性子星を観測し、温度と磁場の相互作用が星の表面の性質にどのような影響を与えるかを調べることです。」と、Zane氏は付け加える。

量子論が、これらの発見に一役買っている。それは、磁場の強い環境で光が伝搬するとき、磁力線に平行な方向と垂直な方向の2つに偏光することを予言するものだ。光の極性と光の量の両方を観測することで、磁場そのものの構造がわかり、光やマグネターの領域にある物質の物理状態が刻み込まれる。この研究によれば、その情報にアクセスする唯一の方法である。

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マグネターは複雑な磁場を持つことがあり、IXPEはその観測に威力を発揮します。IXPE は、マグネターのような天体の偏光マップを作成し、その構造を明らかにする唯一の方法である。この画像は、マグネターの内部には非常に複雑な磁場があり、外部には単純な小さな双極子磁場があることを表現したものである。(Credits: ESA – Author: Christophe Carreau)

パドヴァ大学のRoberto Turolla(ロベルト・トゥロラ)教授もこの論文の共著者の一人だ。Turolla教授はプレスリリースで、「低エネルギーでの偏光は、磁場が星の周りの大気を固体または液体に変えるほど強い可能性があることを教えてくれている。これは、磁気凝縮として知られている現象です。」と述べている。

理論的には、この固体表面は、磁場によって格子状に保持されたイオンでできていることも予測されている。他の原子のように球形ではなく、これらは強力な磁力によって細長い形をしていることだろう。

マグネターや他の中性子星に大気があるかどうかについては、科学者たちの間でいまだに議論が続いている。このような極限的な天体には謎が多く、その性質は不可解なものだ。しかし、少なくとも私たちは、大気のない、あるいは固い地殻で説明できるマグネターを1つ知っている。

しかし、この説明にはまだもっと精査が必要だと著者らは言う。

ブリティッシュコロンビア大学の共著者である Jeremy Heyl(ジェレミー・ヘイル)教授は、「我々が理論モデリングで行ったように、量子電気力学の効果を含めると、IXPEの観測と一致する結果が得られることも注目に値します。それでも、我々は、IXPEのデータを説明するための代替モデルも調査していますが、それに対する適切な数値シミュレーションはまだ不足しています。」と述べている。

研究の要旨

マグネターは超強力な磁場を持つ中性子星で、X線で観測することができる。偏光を測定することで、その磁場や表面の性質に関する情報を得ることができる。イメージングX線偏光計測装置を使ってマグネター4U 0142+61からの偏光X線を観測し、2〜8キロ電子ボルトの帯域で平均した直線偏光度は13.5±0.8%であることがわかった。偏光度はエネルギーによって変化する。2〜4キロ電子ボルトで15.0±1.0%、4〜5キロ電子ボルトで装置感度以下になり、5.5〜8キロ電子ボルトで35.2±7.1%まで上昇する。また、偏光角は4~5キロ電子ボルトで90°変化する。これらの結果は、マグネター表面からの熱放射が磁気圏の荷電粒子から散乱されて再処理されるというモデルと矛盾しない。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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