天文学者たちは、我々が住むこの天の川銀河の外れに、これまでに見たことのない奇妙な存在を発見した。これは想像でしかないが、これまで発見された中で最も軽いブラックホールか、最も重い中性子星か、はたまたこれまで発見された事のない全く新しい何らかの存在である可能性があるというのだ。

NGC1851と名づけられた星の密集した球の中で、4万光年彼方に発見されたこの未知の天体は、公転する伴星（パルサーとして知られる、6ミリ秒に一度光線を出す回転中性子星）の急速な閃光によって検出された。

研究者たちによると、この新しい天体は、ブラックホールと中性子星の間にある歴史的な「質量ギャップ」の中にあり、どちらか一方である可能性があるという。研究者らはこの発見を1月18日付の科学誌『Science』に発表した。

マンチェスター大学の天体物理学者Ben Stappers氏は次のように述べている：「パルサー・ブラックホール系は重力の理論を検証するための重要なターゲットになるでしょうし、重い中性子星は非常に高い密度での原子核物理学の新しい洞察を与えてくれるでしょう」。

今回発見された天体は、質量が2.09から2.71太陽質量に相当し、いわゆる質量ギャップの下限に位置するものだ。

中性子星とブラックホールは非常に密接な関係にある。どちらも超高密度の天体で、大質量星が死ぬときにコアが重力崩壊して形成される。

2つを分けるものは質量だ。超大質量ブラックホールは太陽の何十億個分もの重さがあるが、中性子星は太陽質量の3倍より重くなることはめったにない。しかし、最も軽いブラックホールと最も重い中性子星は、遠くから見るとよく似ている。

天文学の歴史の大半において、科学者たちは太陽の質量の2倍の重さの中性子星と5太陽質量の軽さのブラックホールしか見つけることができず、その間のすべてが謎のままだった。2019年、レーザー干渉計重力波天文台（LIGO）が、軽いブラックホールか重い中性子星がこの2つの間のどこかに落ちていることを示す時空の波紋を検出したとき、質量ギャップとして知られるこの2つの間のギャップがついに越えた。それにもかかわらず、従来の光ベースの望遠鏡による質量ギャップを満たす天体の検出は、依然としてとらえどころがない。

この新しい天体を発見するため、Max Planck Institute for Radio Astronomyの天体物理学者Ewan Barr氏とArunima Dutta氏が率いる国際研究チームは、銀河系中心から約5万4000光年離れたNGC1851という星団にあるPSR J0514-4002Eという奇妙なミリ秒パルサーを研究してこの天体を発見した。

南アフリカにあるMEERKatアレイが収集した電波データから、このパルサーと7.44日周回する未知の連星が存在することが判明した。

ミリ秒パルサーは中性子星で、非常に高速で回転している。自転しながら、正確な時間間隔で電波を発している。PSR J0514-4002Eは1秒間に170回回転し、静電気の音のように脈打っている。そのタイミングが非常に正確であるため、天文学者はパルサーの小さな小さな変化を探し、その情報を使ってパルサーの特徴や距離、連星を計算することができる。

「ほぼ完璧なストップウォッチを4万光年先の恒星の軌道に落として、その軌道をマイクロ秒の精度で計時できるようなものだと考えてください」とBarr氏は言う。

このパルサーのタイミングデータから、研究者たちはPSR J0514-4002Eまでの距離、パルサーの質量、そして系全体の質量を計算することができた。パルサーの質量を差し引くことで、謎の天体の質量を決定することができた。

この天体は主系列星というにはあまりに暗く、白色矮星（死星のスケールで中性子星よりも軽いコンパクトな天体）というには質量が大きすぎる。つまり、中性子星かブラックホールの2つの可能性しか残されていない。

現段階ではどちらであるかは断定できないが、研究者たちは、この天体が以前2つの中性子星が合体してできたものだと考えている。数年前、重力波を使って検出された同様の衝突の結果、2.6太陽質量の天体が誕生した。上限が2.76太陽質量であることから、もしどちらもブラックホールでなければ、今回の発見はより大きな中性子星である可能性がある。

この天体が何であるかは不明である-最も巨大な中性子星であるか、最も軽いブラックホールであるか、あるいはまだ特徴づけられていないエキゾチックな星の殻であるか。はたまた、地球外知的生命体の構築したメガストラクチャーなのだろうか？研究者らは、この天体をより深く調べることで、我々の既存の物質理論を検証することができるだろうと語っている。

「この星系はまだ終わっていません。伴星の正体を暴くことは、中性子星、ブラックホール、そしてブラックホールの質量差に潜むかもしれない他の何ものかを理解する上で、ターニングポイントになるでしょう」と、Dutta氏は述べている。

論文

• Science: A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes

参考文献

• The University of Manchester: Lightest black hole or heaviest neutron star? Manchester astronomers uncover a mysterious object in Milky Way
• Max-Planck-Gesellschaft: Mysterious object attracts attention

研究の要旨

重力波で観測されるコンパクトな天体の中には、既知の中性子星（NS）とブラックホール（BH）の間にある質量を持つものがある。これらの質量ギャップ天体の性質は、そのホストとなる連星系の形成と同様に未知である。我々は、球状星団NGC1851にある偏心連星ミリ秒パルサーPSR J0514-4002Eのカルーアレイ望遠鏡(MeerKAT)によるパルサータイミング観測を報告する。その結果、連星の総質量は3.887±0.004太陽質量(M⊙)であり、多波長観測により連星の伴星もコンパクトな天体であることがわかった。伴星の質量（2.09から2.71 M⊙、95%信頼区間）は質量ギャップの中にあり、非常に質量の大きいNSか、質量の小さいBHのどちらかであることを示している。我々は、この連星は2つのNSが合体してできたと考えている。