パルサー

最初に発見されたパルサーからの信号は、ジョスリン・ベルが、彼女が建設に携わった新設の電波望遠鏡で1967年8月6日に記録されたデータを分析している際に最初に観測された。当初、彼女の上司であり望遠鏡の開発者であるアントニー・ヒューイッシュはこれを電波干渉として片付けたが、^{[ 4 ] [ 5 ]}信号が常に同じ赤緯と赤経で現れるという事実から、地球由来の信号ではないことがすぐに明らかになった。^{[ 6 ]} 1967年11月28日、ベルとヒューイッシュは高速ストリップチャートレコーダーを使用して、信号を1.337秒ごとに均等に間隔を空けた一連のパルスとして解読した。^{[ 7 ]}このような性質の天体はそれまで観測されたことがなかった。12月21日、ベルは2番目のパルサーを発見し、これらが地球外生命体から地球に向けて発射された信号である可能性についての憶測を否定した。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

別の望遠鏡による観測でその放射が確認されたことで、機器による影響は排除されました。この時点で、ベルは自身とヒューイッシュについて、「私たちは別の文明からの信号を受信したとは本当に信じていませんでしたが、明らかにその考えが頭をよぎり、それが完全に自然な電波放射であるという証拠はありませんでした。宇宙のどこかで生命を検出した可能性があると考える場合、どのように責任を持って結果を発表するかは興味深い問題です」と述べています。 ^{[ 12 ]}それでも、彼らはその信号を 「小さな緑の男たち」（地球外起源の知的生命体に対する遊び心のある名前）のLGM-1と名付けました。

空の別の場所で2番目の脈動源が発見されるまで、「LGM仮説」は完全に放棄されませんでした。^{[ 13 ]}彼らのパルサーは後にCP 1919と名付けられ、現在ではPSR B1919+21やPSR J1921+2153など、いくつかの指定子で知られています。CP 1919は電波波長で放射していますが、その後、パルサーは可視光、 X線、ガンマ線波長で放射することがわかっています。^{[ 14 ]}

「パルサー」 という言葉が初めて印刷物に登場したのは1968年のことである。

昨年8月6日、全く新しいタイプの星が発見され、天文学者によってLGM（リトル・グリーン・メン）と呼ばれました。現在では、白色矮星と中性子星の中間に位置する新しいタイプの星と考えられています。おそらくパルサーという名前が付けられるでしょう。A・ヒューイッシュ博士は昨日私にこう言いました。「…今日、すべての電波望遠鏡がパルサーを観測していると確信しています。」^{[ 15 ]}

中性子星の存在は、1934年にウォルター・バーデとフリッツ・ツヴィッキーによって初めて提唱されました。彼らは、主に中性子からなる小さくて密度の高い星が超新星爆発の結果として生じると主張しました。^{[ 16 ]}磁気主系列星からの磁束保存の考えに基づいて、ロデウェイク・ウォルティエは1964年に、そのような中性子星は^10¹⁴から^10¹⁶ガウス（= ^10¹⁰から^10¹²テスラ）もの大きな磁場を持つ可能性があると提唱しました。 ^{[ 17 ]} 1967年、パルサーの発見の少し前に、フランコ・パチーニは、磁場を持つ回転する中性子星は放射線を放出すると示唆し、かに星雲のような中性子星の周りの超新星残骸にそのようなエネルギーが注入される可能性があるとさえ指摘しました。^{[ 18 ]}最初のパルサーの発見後、トーマス・ゴールドはパチーニのモデルに似た回転中性子星モデルを独自に提唱し、このモデルがベル・バーネルとヒューイッシュによって観測されたパルス状放射を説明できると明言した。^{[ 19 ]} 1968年、リチャード・V・E・ラブレースは共同研究者とともに周期を発見した。  ${\displaystyle P\approx 33}$ アレシボ天文台を使用したカニ星雲パルサーのミリ秒。^{[ 20 ] [ 21 ]}カニパルサー の発見は、パルサーの回転中性子星モデルを裏付けるものとなった。^{[ 22 ]}カニパルサーの33ミリ秒のパルス周期は、パルサー放射の他の提案モデルと一致するには短すぎた。さらに、カニパルサーは、1933年のバーデとズウィッキーの予測と一致して、カニ星雲の中心に位置していることからそのように名付けられた。^{[ 23 ]} 1974年、革新的な電波望遠鏡を開発したアントニー・ヒューイッシュとマーティン・ライルは、ノーベル物理学賞を受賞した最初の天文学者となり、スウェーデン王立科学アカデミーは、ヒューイッシュが「パルサーの発見に決定的な役割を果たした」と指摘した。^{[ 24 ]}ヒューイッシュがノーベル賞を受賞した一方で、彼の博士課程の学生だったベルが最初に発見したにもかかわらず受賞しなかったという事実には、かなりの論争が伴っている。ベルはこの点について恨みはなく、ノーベル賞委員会の決定を支持している。^{[ 25 ]}

1974年、ジョセフ・フートン・テイラー・ジュニアとラッセル・ハルスは、連星系PSR B1913+16で初めてパルサーを発見した。このパルサーは、わずか8時間の公転周期で別のニュートロン星の周りを公転している。アインシュタインの一般相対性理論は、この系が強い重力波を放出し、軌道エネルギーを失うにつれて軌道が絶えず収縮すると予測している。パルサーの観測はすぐにこの予測を裏付け、重力波の存在を示す最初の証拠となった。2010年現在、このパルサーの観測は一般相対性理論と一致し続けている。^{[ 26 ]} 1993年、テイラーとハルスはこのパルサーの発見によりノーベル物理学賞を受賞した。^{[ 27 ]}

1982年、ドン・バッカーは、回転周期がわずか約1.6ミリ秒（ 38,500rpm）のパルサーPSR B1937+21を発見したグループを率いた。 ^{[ 28 ]}すぐに観測により、その磁場が通常のパルサーよりもはるかに弱いことが明らかになり、さらに発見されたことで、「ミリ秒パルサー」（MSP）という新しい種類の天体が発見されたという考えが確固たるものとなった。MSPはX線連星の最終産物であると考えられている。MSPは非常に高速かつ安定した回転をするため、天文学者は地球上の最高の原子時計の安定性に匹敵する時計としてMSPを利用できる。数百ナノ秒以上も地球へのパルスの到着時間に影響を与える要因は容易に検出でき、精密な測定に利用できる。パルサータイミングによって得られる物理パラメータには、パルサーの3次元位置、固有運動、伝播経路に沿った星間物質の電子含有量、連星伴星の軌道パラメータ、パルサーの自転周期とその時間的変化などが含まれます。（これらは、このタスクに特化したコンピュータプログラムであるTempoによって、生のタイミングデータから計算されます。）これらの要素を考慮に入れた後、観測された到着時刻とこれらのパラメータを使用して行われた予測との間のずれが見つかり、次の3つの可能性のいずれかに起因すると考えられます。パルサーの自転周期の固有の変動、到着時刻が測定された地球時間の実現における誤差、または背景重力波の存在です。科学者たちは現在、パルサータイミングアレイと呼ばれる複数の異なるパルサー間で観測されたずれを比較することによって、これらの可能性を解明しようとしています。これらの取り組みの目標は、史上初の重力波の直接検出を可能にするほど精度の高いパルサーベースの時間標準を開発することです。 2006年、 LANLの天文学者チームは、ロッシX線タイミングエクスプローラーの観測データを用いてパルサーのグリッチが発生する可能性のある日付を予測するモデルを提案した。彼らは、準周期的なグリッチを起こすパルサーとして知られるパルサーPSR J0537−6910の観測データを使用した。 ^{[ 29 ]}しかし、現在までにグリッチ予測の一般的なスキームは知られていない。^{[ 29 ]}

1992年、アレクサンダー・ウォルシュチャンは、 PSR B1257+12の周囲に最初の系外惑星を発見した。この発見は、太陽系外に惑星が広く存在することを示す重要な証拠となったが、パルサー近傍の強烈な放射線環境で生命体が生存できる可能性は非常に低い。

2つの巨大な星が同じガス雲から近接して誕生すると、連星系を形成し、誕生時から互いの周りを公転します。これらの2つの星が太陽の数倍以上の質量を持つ場合、両方とも超新星爆発でその生涯を終えます。質量の大きい方の星が先に爆発し、中性子星を残します。爆発によって2番目の星が弾き飛ばされなければ、連星系は存続します。中性子星は電波パルサーとして観測可能になり、徐々にエネルギーを失い、自転速度が低下します。その後、2番目の星が膨張し、中性子星がその物質を吸い込むことがあります。中性子星に降り注ぐ物質は、中性子星の自転速度を速め、磁場を弱めます。

これは、中性子星を高速回転状態に戻すため、「リサイクル」と呼ばれます。最後に、2番目の星も超新星爆発を起こし、別の中性子星を生成します。この2回目の爆発でも連星系が崩壊しない場合、二重中性子星（中性子星連星）が形成されます。そうでない場合、高速回転する中性子星は伴星を失い、「崩壊したリサイクルパルサー」となり、 毎秒数～50回転します。^{[ 44 ]}

パルサーマップは、パイオニア探査機の2枚の銘板とボイジャー探査機のゴールデンレコードに収録されている。これらのマップは、電磁パルスの固有のタイミングによって識別される14個のパルサーに対する太陽の位置を示しており、地球の空間的および時間的な位置を潜在的な地球外生命体によって計算できる。^{[ 45 ]}パルサーは非常に規則的な電波パルスを放出するため、その電波送信には毎日の補正は必要ない。さらに、パルサーの位置は、宇宙船の航行システムを独立して構築することも、衛星航法と組み合わせて使用​​することもできる。^{[ 46 ] [ 47 ]}

X線パルサーベース航法およびタイミング（XNAV）、または単にパルサー航法は、パルサーから放出される周期的なX線信号を使用して、深宇宙の宇宙船などの乗り物の位置を決定する航法技術です。XNAVを使用する乗り物は、受信したX線信号を既知のパルサーの周波数と位置のデータベースと比較します。GPSと同様に、この比較により、乗り物は位置を正確に（±5 km）計算できます。電波ではなくX線信号を使用する利点は、 X線望遠鏡をより小型で軽量にできることです。 ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} 2018年に実験的な実証が報告されています。^{[ 51 ]} 

一般的に、パルサー放射の規則性は原子時計の安定性には及ばない。^{[ 52 ]}それでも外部基準として使用できる。^{[ 53 ]}例えば、J0437−4715の周期は0.005 757 451 936 712 637 秒、誤差は1.7 × 10 ⁻¹⁷ 秒。この安定性により、ミリ秒パルサーは暦時刻の確立^{[ 54 ]}やパルサー時計の 構築^{[ 55 ]}に使用できます。

タイミングノイズとは、すべてのパルサーで観測される回転の不規則性の名称です。このタイミングノイズは、パルス周波数または位相のランダムな変動として観測されます。^{[ 56 ]}タイミングノイズがパルサーのグリッチと関連しているかどうかは不明です。2023年に発表された研究によると、^{[ 57 ]}パルサーで観測されるタイミングノイズは、背景重力波によって引き起こされると考えられています。あるいは、パルサー内の内部（超流体や乱流の存在に関連）および外部（磁気圏活動による）トルクの両方の確率的変動によって引き起こされる可能性もあります。^{[ 58 ]}

パルサーからの放射は、地球に到達する前に星間物質（ISM）を通過します。ISMの高温（8000 K）の電離成分とH II領域にある自由電子は、主に2つの方法で放射に影響を与えます。その結果生じるパルサーの放射の変化は、ISM自体を調べるための重要なプローブとなります。^{[ 59 ]} 

星間プラズマの分散性のため、低周波電波は高周波電波よりも遅く伝搬する。その結果生じる様々な周波数のパルスの到着遅延は、パルスの分散量として直接測定できる。分散量は、観測者とパルサー間の自由電子の全柱密度である。

${\displaystyle \mathrm {DM} =\int _{0}^{D}n_{e}(s)\,ds,}$

どこ${\displaystyle D}$はパルサーから観測者までの距離であり、${\displaystyle n_{e}}$は星間物質の電子密度です。分散尺度は、天の川銀河の自由電子分布のモデルを構築するために使用されます。^{[ 60 ]}

さらに、星間物質の密度不均一性により、パルサーからの電波が散乱されます。その結果生じる電波のシンチレーション（地球大気の密度変動による可視光での星の瞬きと同じ効果）は、星間物質の小規模な変動に関する情報を再構築するために使用できます。^{[ 61 ]}多くのパルサーは高速（最大数百km/s）であるため、単一のパルサーが星間物質を高速でスキャンし、その結果、数分の時間スケールでシンチレーションパターンが変化します。^{[ 62 ]}これらの密度不均一性の正確な原因は未解決の問題であり、乱流から電流シートまで、考えられる説明は多岐にわたります。^{[ 63 ]}

天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールSgr A*の周りの曲がった時空内を公転するパルサーは、強重力場領域における重力のプローブとして機能する可能性がある。 ^{[ 64 ]}パルスの到着時間は、特殊相対論的および一般相対論的ドップラーシフトと、ブラックホールの周りの強く曲がった時空を通過する電波の複雑な経路によって影響を受ける。一般相対論の効果を現在の機器で測定可能にするには、約 10 年未満の公転周期を持つパルサーを発見する必要がある。^{[ 64 ]}そのようなパルサーは Sgr A* から 0.01 pc 以内の距離を公転する。現在探索が進行中であり、現時点では 5 つのパルサーが Sgr A* から 100 pc 以内に存在することが知られている。^{[ 65 ]}

パルサーを用いて重力波を探索するコンソーシアムは世界に4つあります。ヨーロッパの欧州パルサータイミングアレイ（EPTA）、オーストラリアのパークスパルサータイミングアレイ（PPTA）、カナダと米国にまたがる北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）、そしてインドのインドパルサータイミングアレイ（InPTA）です。これらのコンソーシアムは合わせて国際パルサータイミングアレイ（IPTA）を構成しています。ミリ秒パルサー（MSP）からのパルスは銀河時計のシステムとして利用されます。時計の乱れは地球上で測定可能です。通過する重力波による乱れはパルサー群全体に特有の特徴を示し、それによって検出されます。