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ミリ秒パルサー（MSP）は、自転周期が約10ミリ秒未満のパルサーです。ミリ秒パルサーは、電磁スペクトルの電波、X線、ガンマ線領域で検出されています。ミリ秒パルサーの起源に関する有力な仮説は、近接連星系の伴星からの物質の降着によって回転速度が上昇または「リサイクル」された、古い高速回転中性子星であるというものです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]このため、ミリ秒パルサーはリサイクルパルサーと呼ばれることもあります。
ミリ秒パルサーは、低質量X線連星系に関連していると考えられている。これらの系におけるX線は、ロッシュローブから溢れ出した伴星の外層によって形成された中性子星の降着円盤から放出されると考えられている。この降着現象による角運動量の伝達によって、パルサーの回転速度は毎秒数百回転にまで増加する可能性があり、これはミリ秒パルサーで観測されている現象である。
標準的な進化モデルでは、すべてのミリ秒パルサー、特に比較的磁場の強い若いミリ秒パルサー（例：PSR B1937+21）の進化を説明できないという最近の証拠がある。Bülent KiziltanとSE Thorsett（UCSC）は、異なるミリ秒パルサーは少なくとも2つの異なるプロセスによって形成される必要があることを示した。[ 4 ]しかし、もう1つのプロセスの性質は依然として謎のままである。[ 5 ]
ミリ秒パルサーの多くは球状星団で発見されています。これは、球状星団の極めて高い恒星密度がパルサーが巨大な伴星を持つ（または捕獲する）可能性がはるかに高いことを示唆しているため、パルサー形成のスピンアップ仮説と一致しています。現在、球状星団には約130個のミリ秒パルサーが知られています。[ 6 ]球状星団テルザン5には37個、続いて47トゥカーナエに22個、M28とM15にそれぞれ8個のパルサーがあります。
最初のミリ秒パルサーであるPSR B1937+21は、1982 年にBackerらによって発見されました。[ 7 ]毎秒約 641 回回転しており、これまでに発見された約 200 個のミリ秒パルサーの中で、2 番目に速く回転しています。[ 8 ] 2004 年に発見されたパルサーPSR J1748-2446adは、2025 年現在、毎秒 716 回回転しており、最も速く回転するパルサーとして知られています。[ 9 ] [ 10 ]
中性子星の構造と進化に関する現在のモデルでは、パルサーが毎秒約 1500 回転以上の速度で回転すると崩壊すると予測されており、[ 11 ] [ 12 ]また、毎秒約 1000 回転以上の速度では、降着過程によって加速されるよりも速く重力波によってエネルギーを失うと予測されています。 [ 13 ]
2007 年初頭、ロッシ X 線タイミングエクスプローラーとINTEGRAL宇宙船からのデータにより、1122 Hzで回転する中性子星XTE J1739-285 が発見されました。 [ 14 ]この結果は統計的に有意ではなく、有意水準はわずか 3シグマです。さらなる観測の興味深い候補ではありますが、現在の結果では決定的な結論は出ていません。それでも、重力波が回転速度を遅くする役割を果たしていると考えられています。毎秒 599 回転するX 線パルサーIGR J00291+5934は、将来このような波を検出するのに役立つ有力な候補です (このような X 線パルサーのほとんどは毎秒 300 回転程度でしか回転しません)。
ミリ秒パルサーは高精度で時間を計測でき、数十年にわたって平均すると原子時計に基づく時間標準に匹敵する安定性を持つ。 [ 15 ] [ 16 ]これにより、周囲環境の非常に敏感なプローブにもなる。例えば、その周囲に置かれたものは、地球へのパルスの到着時間に周期的なドップラーシフトを引き起こし、これを分析することで伴星の存在を明らかにし、十分なデータがあれば軌道と天体の質量を正確に測定することができる。この技術は非常に敏感であるため、小惑星ほど小さな天体でも、たまたまミリ秒パルサーの周りを公転していれば検出できる。最初の確認された系外惑星は、「通常の」太陽のような恒星の周りの系外惑星が最初に検出される数年前に発見され、ミリ秒パルサーPSR B1257+12の周りを公転しているのが見つかった。これらの惑星は、長年にわたり、太陽系外で知られている唯一の地球質量の天体であった。そのうちの1つであるPSR B1257+12 bは、さらに質量が小さく、月の2倍弱で、現在でも太陽系外で知られている最小質量の天体である。[ 17 ]
重力波はアインシュタインの一般相対性理論における重要な予測であり、物質の全体的な運動、初期宇宙におけるゆらぎ、そして時空そのもののダイナミクスによって生じます。パルサーは、大質量星の超新星爆発時に形成される、高速回転する高磁場の中性子星です。パルサーは高精度の時計として機能し、天体力学、中性子星地震学、強重力場の検証、銀河天文学など、幅広い物理的応用分野があります。
パルサーを重力波検出器として利用するという提案は、1970年代後半にサージン[ 18 ]とデトワイラー[ 19 ]によって最初になされた。このアイデアは、太陽系の重心と遠方のパルサーを、宇宙空間における仮想の腕の両端とみなすというものである。パルサーは腕の一端にある基準時計として機能し、地球上の観測者によって監視される規則的な信号を送信する。通過する重力波の影響は、局所的な時空計量を摂動させ、観測されるパルサーの回転周波数に変化をもたらす。
ヘリングスとダウンズ[ 22 ]は1983年にこの考えをパルサーのアレイに拡張し、重力波の確率的背景が、空における角度分離の関数として、異なるパルサーペア間の四重極相関を生み出すことを発見した。この研究は、アレイ内のパルサー時計の精度と安定性によって感度が制限されていた。1982年に最初のミリ秒パルサーが発見された後、フォスターとバッカー[ 23 ]は1990年にヘリングス-ダウンズ解析を非常に安定したミリ秒パルサーのアレイに適用することで、重力波に対する感度を向上させた。
デジタルデータ取得システム、新しい電波望遠鏡と受信機システムの登場、そして多くの新しいミリ秒パルサーの発見により、国際的な取り組みの初期段階でパルサータイミングアレイの重力波に対する感度が向上しました。 [ 24 ] 5年間のデータ公開、解析、および確率的重力波背景に対する最初のNANOGrav制限は、2013年にDemorestらによって説明されました。[ 25 ]これに続いて、2015年と2018年にそれぞれ9年間と11年間のデータ公開が行われました。それぞれで重力波背景がさらに制限され、2番目のケースでは、太陽系の重心を正確に決定する技術が改良されました。
2020年、共同研究グループは12.5年間のデータ公開を発表し、すべてのパルサーで共通の歪み振幅とスペクトル指数を持つべき乗則確率過程の強力な証拠を示したが、重要なヘリングス・ダウンズ四重極空間相関については統計的に決定的なデータが得られなかった。 [ 26 ] [ 27 ]
2023 年 6 月、NANOGrav は、欧州パルサータイミングアレイとインドパルサータイミングアレイの統合データセット、パークスパルサータイミングアレイの 3 番目のデータリリース、および中国パルサータイミングアレイの最初のデータリリースと同時に、15 年間のデータリリースを公開しました。これらのデータリリースは、確率的重力波背景の最初の証拠を示しました。特に、観測の重力波起源の決定的な兆候であるヘリングスダウンズ曲線[ 28 ]の最初の測定が含まれていました。 [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] MeerKATパルサータイミングアレイは、2024 年 12 月にヘリングスダウンズ曲線のさらなる証拠を公開しました。[ 34 ]
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