中性子星の衝突による重力波と高速電波バーストの一致を確認

masapoco
投稿日 2023年3月31日 11:42
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高速電波バースト(FRB)は、2007年に初めて検出され(ロリマーバースト)、それ以来、最も謎の多い天文現象の1つとなっている。この明るい電波パルスは通常、数ミリ秒しか続かず、二度と聞くことが出来ない(稀に繰り返されるFRBを除く)。そして、2015年9月14日に初めて検出された一般相対性理論で予言された現象である重力波(GW)である。この2つの現象が合わさることで、定期的にイベントが検出される天文学の革命が起こり、他の宇宙の謎に新鮮な洞察を与えるようになった。

オーストラリア研究会議重力波発見センター(OzGrav)が主導する新しい研究において、オーストラリアとアメリカの研究チームは、FRBと重力波が関連している可能性を明らかにした。『Nature Astronomy』誌に掲載されたこの研究によると、研究チームは、連星中性子星の合体と明るい非繰り返しFRBが一致する可能性を指摘した。もし確認されれば、FRBは様々な天文現象によって引き起こされるという、天文学者が以前から予想していたことが証明されることになる。

研究チームには、オズグラブ、西オーストラリア大学、カーティン大学の国際電波天文学研究センター(ICRAR)、ネバダ大学のネバダ天体物理学センター(NCfA)の物理学者が参加している。この研究は、UWAの物理学・数学・コンピュータ学部の大学院生である Alexandra Moroianu氏が主導し、OzGrav、ICRAR、NCfAの研究者と協力して、FRBと偶然重なったGW事象(非常に起こりにくい偶然)を研究した。

FRBの原因は、ブラックホール、中性子星、マグネターから地球外生命体まで、さまざまな可能性が指摘されている。これまでに、カナダ水素強度マッピング実験(CHIME)やオーストラリア正方形キロメートル配列パスファインダー(ASKAP)などの専用電波望遠鏡によって、1000個以上のFRBが検出されている。しかし、最近の観測により、FRBにはさまざまな起源がある可能性があると考えられるようになった。

その中には、コンパクトな連星系にある中性子星同士の合体も含まれている。天文学者は、これらの合体が起こることを長い間予測してきた。ICRARの天体物理学者で、この研究の共著者であるClancy W. James氏は、『The Conversation』に掲載された最近の記事でこう説明している:

“2つの中性子星(連星)が合体してブラックホールができると、電波のバーストも発生するはずだと天文学者は長い間予測してきました。2つの中性子星は強磁性体であり、ブラックホールには磁場がありません。そこで、中性子星が合体してブラックホールになるときに磁場が突然消えることで、高速の電波バーストを発生させるというのです。磁場が変化すると電場が発生し、多くの発電所が電気を生み出している。そして、崩壊時の磁場の大きな変化が、FRBの強烈な電磁場を生み出す可能性があります。”

この理論を検証するために、Moroianu氏らは、レーザー干渉計重力波観測装置(LIGO)Virgo Collaboration、CHIMEによって2019年4月25日に検出されたGWイベント、GW190425を調べた。このイベントは、天文学者が2つの非回転中性子星(BNS)のインスパイラルによって引き起こされるGWを検出した2回目のイベントだった。LIGOチームは信号の特性から、これらの星は太陽の1.72倍と1.63倍の質量を持ち、”超巨大中性子星“を形成していると推定した。

Moroianu氏は、この現象から2年後に初めて公開されたCHIMEのデータを使って、GW190425のわずか2時間半後に発生し、空の同じ場所から発生した非繰り返し高速電波バースト(FRB 20190425A)を特定した。しかし、LIGOの検出器の1つがGWイベントを拾ってしまったため、この2つが関連していることを確認するのはかなり困難だった(LIGO Livingston)。また、NASAのフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡は、当時地球に遮られていたため、ガンマ線を検出することができなかった(これがあれば、2つの事象が関連していることが確認できただろう)。

それでも、研究チームは、FRBが通過したガスの量をたどることで、FRBの距離を割り出すことができた。これは高速電波バーストの特徴で、高周波の電波が周波数波よりも速く星間物質(ISM)を通過する。「宇宙の平均ガス密度がわかっているので、このガス量と距離を関連付けることができ、これはマックカートの関係として知られています」とJamesは付け加えた。「そして、FRB 20190425Aが移動した距離は、GW190425までの距離とほぼ完璧に一致したのです。ビンゴ!」

著者らは、この偶然の一致がFRBが中性子星の合体によって生じることを証明するものではないことを認めているが、BNSも前駆物質である可能性があるという説に信憑性を与えている。また、このような証拠があるにもかかわらず、2つの信号が同じ事象によって引き起こされる確率は約200分の1であると推定している。現時点で必要なのは、FRBとGWイベントが一致した例をさらに見つけることである。このような事象を検出する確率は、最近アップグレードされたVirgoと神岡重力波検出器(KAGRA)が今年5月にオンラインに戻れば、かなり向上する。

感度の向上により、これらの観測所とLIGOのカウンターパート(LIGO HanfordとLIGO Livingston)は、今後数十年で数千のイベントを検出すると予想される。一方、CHIME、SKA、その他のFRB検出器は、記録されたFRB事象の数を指数関数的に増やし続けており、比較のための強固な根拠を提供している。しかし、Jamesが指摘したように、さらなる証拠が発見されるまで、私たちは長く待つ必要はないかも知れない:

“高速電波バーストの方向から来る光やガンマ線のフラッシュ “という、私たちの説を肯定するか否定するかの重要な証拠は、4年近く前に消えてしまった。数カ月後には、私たちの説が正しいかどうかを確かめるチャンスが再び訪れるかもしれません。数カ月後には、私たちが重要なブレークスルーを成し遂げたのか、それとも単なるフラッシュ・イン・パンだったのかがわかるかもしれません。”


論文

参考文献

研究の要旨

高速電波バースト(FRB)は、宇宙論的距離で発生するミリ秒単位の謎の明るい電波バーストである。これまで、若いマグネターが有力な発生源として挙げられてきましたが、最近の観測では、FRBの発生源は複数存在することが示唆されています。FRBは、コンパクトな天体の合体から放出される可能性があると長い間考えられてきた。連星中性子星(BNS)の合体などの激変は、地上のレーザー干渉計重力波観測装置(LIGO)やVirgoによって重力波(GW)として検出される可能性もある。ここでは、LIGO-Virgoの第3回サイエンスランの最初の6ヶ月間に検出された21のGW天体のうち、唯一のBNSマージイベントGW190425と、公開GWとCHIME FRBデータを用いた検索から、明るい非繰り返しFRBイベントFRB20190425Aとの一致の可能性を報告する。このFRBは、GWの天空定位領域内に位置し、GWイベントの2.5時間後に発生し、GWパラメータ推定から推測される距離と一致する分散尺度を有している。データベース中の無関係なFRBとGW事象が一致する確率は0.0052 (2.8σ)と見積もられる。CHIMEがこのような事象を検出する確率は、ビームセンター検出の0.4%から、明るいバーストが遠方サイドローブで検出される場合は68%の範囲と見積もられる。このような関連性は、BNSの合併によって超巨大な高磁力コンパクト天体が残され、スピンダウンによって角運動量を失った後に崩壊してブラックホールを形成し、磁気圏を放出することによってFRBを作るという説と一致します。このような物理的な関連性が確立された場合、合併後のコンパクト天体の状態方程式は、中性子星残骸の場合はTolman-Oppenheimer-Volkoff非回転最大質量MTOV>2.63+0.39-0.23M⊙、クォーク星残骸ではMTOV>2.31+0.24-0.08M⊙で硬いと考えられる。


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、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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