天文学者らは初めて、高速で移動するパルサー周辺の磁場を直接観測し、死んだ星がどのように高エネルギー粒子を天の川に注入するかという長年の理論を確認した。
NASAのX線偏光観測衛星IXPEを用いて、科学者らは「灯台星雲」の中心にある高速回転する中性子星、パルサーPSR J1101-6101の磁場を測定した。7月9日に『The Astrophysical Journal』に掲載された結果は、パルサーから放出される最も高エネルギーの粒子が、水路を進む船のように銀河の磁力線に沿って流れることを示している。
超音速の恒星の死体
パルサーは、超新星爆発を起こした大質量星の超高密度の残骸である。残された中心核である中性子星は、太陽以上の質量を都市サイズの球体に詰め込み、驚異的な速度で回転する。PSR J1101-6101は毎秒約16回回転する。その強力な磁場は、灯台のビームのように放射線を宇宙に掃き出し、星雲の名称の由来となっている。
この特定のパルサーは、非対称な超新星爆発によって弾き出され、星間空間を超音速で移動している。銀河の媒体を突き進む際、パルサーから放出される高エネルギー粒子が周囲のガスと衝突し、高速で進む船の舳先にできる波と同様のバウショックを生成する。
これらの粒子の大半はバウショックの背後に閉じ込められ、乱流の尾を形成する。NASAのチャンドラX線観測所は以前、この尾が37光年以上にわたって伸びていることを捉えており、当時天の川で観測されたあらゆる天体の中で最長のジェットとなっていた。
しかし、「フィラメント」として知られる細いX線の分岐は、パルサーからさらに遠くまで伸びている。2008年以降、研究者らはこのフィラメントが、最高エネルギーの粒子がバウショックを突き抜けて星間空間に脱出し、銀河の磁力線に乗って移動する際に形成されるという仮説を立ててきた。
確定的な証拠
研究を主導したスタンフォード大学の学部生ジャック・ディンスモア氏は、この仮説を検証したいと考えた。
「私たちはその理論を検証したかった」とディンスモア氏は述べた。「『確定的な証拠』は、磁場の方向を示す光の偏光を測定することで得られます。磁場がフィラメントに沿って向いていれば、フィラメントの粒子が磁場に沿って流れていることが確認できます。」
IXPEは2025年6月の約18日間、灯台星雲に焦点を合わせた。このような暗い星雲からの偏光測定には、チームがデータからあらゆる情報を抽出する新しい分析技術を開発する必要があった。
この試みは成功した。IXPEの測定により、フィラメント内の磁場が粒子の流れと平行であることが99%以上の信頼度で示された。
予想外の秩序
データはまた、驚きも明らかにした。光波の整列度を示す偏光度が予想外に高く、理論モデルが予測したよりもはるかに乱流の少ない、滑らかで秩序立った磁気構造を示していた。
「フィラメントのモデルの多くは強い磁気乱流を仮定している」とスタンフォード大学のロジャー・ロマニ氏は述べた。「我々が測定した高い偏光度は、そのようなモデルが必要とするよりも低い乱流を示している。」
この発見は、パルサー風星雲の仕組みに関する現在のモデルに疑問を投げかけ、これらの極限環境で粒子を加速するメカニズムが従来の想定よりも組織化されている可能性を示唆している。
二つの異なる磁気の世界
チームが同一システムのX線観測と電波観測を比較したところ、もう一つの顕著な結果が浮かび上がった。IXPEがX線放射領域の磁場がフィラメントと平行に整列していることを示したのに対し、電波観測ではほぼ正確に垂直を向いた磁場が明らかになった。
この乖離は、異なるエネルギーの粒子がシステム内の異なる物理領域を占めているという初の明確な証拠を提供し、複数の加速メカニズムが同時に作動していることを示唆している。
「電波とX線の波長で観測された磁場方向の顕著な乖離は、これらの天体の高度に構造化された性質を示す説得力のある証拠を提供する」と、研究の共著者であるイタリア国立天体物理学研究所のニコロ・ブッチャンティーニ氏は述べた。「これは、異なるエネルギーの粒子がシステム内の異なる領域を占めているという初の明確な指標であり、複数の、そして潜在的に非常に異なる加速メカニズムの存在を示唆している。」
重要性
この発見は、パルサー（死んだ星の回転する死体）がどのようにして銀河に高エネルギー粒子と磁場をまき散らすかという、基本的な天体物理学的プロセスに光を当てる。このプロセスの理解は、天の川における物質とエネルギーのより広範な循環を解読する鍵となる。
IXPEは、NASAとイタリア宇宙機関の共同ミッションであり、12カ国のパートナーとともに、前例のないX線偏光データを提供し続けている。アラバマ州ハンツビルにあるNASAマーシャル宇宙飛行センターが主導するこの観測所は、宇宙で最も極限的な天体のいくつかに新たな窓を開いている。
灯台パルサーにとって、銀河に刻むその軌跡はもはや単なる光の筋ではない。それは磁気の羅針盤であり、はるか昔に死んだ星々が今もなお周囲の宇宙を形作り続けている様子を示している。
雅子 訳