脈動する星が見えない相棒の存在を明かす

物質を飲み込んでいないブラックホールや中性子星を直接見ることは、ほとんど不可能だ。それらを見つける方法のひとつは、それらと一緒に軌道を回る、目に見える星を観察することである。論文によれば、天文学者はこの方法でこうした「休眠中」の候補を次々と見つけてきた。また、最も重い中性子星と最も軽いブラックホールの間の質量範囲は、いまも観測例が少ない。

TIC 160582982は、変わった道筋を示している。その星自体が時計なのだ。

時を刻む星

TIC 160582982はたて座デルタ型変光星(δ Scuti star)である。高温で高速自転するA型星で、多くの圧力モードで同時に振動している。中国科学院新疆天文台とグラナダのアンダルシア天体物理学研究所に所属する呂成龍(Chenglong Lv)が率いるチームは、宇宙望遠鏡TESSによる約352日分の測定を解析し、そのちらつく光から128の周波数を取り出した。

こうした星が伴星と軌道を回っていると、私たちから少し遠くなったり、少し近くなったりする。その光が届くまでの時間も長くなったり短くなったりするため、脈動は規則的な周期で早まったり遅れたりするように見える。このずれを測れば軌道をたどることができる。これを位相変調(phase modulation)という。

重い相棒との89日の軌道

時計としてまとめて使った6つの安定した脈動は、一貫した答えを与える。

軌道周期:89.29 ± 0.19日。非常に細長い軌道(離心率0.54)である。
見えている星の軌道の投影された大きさ(軌道長半径)は約146光秒、つまり0.29天文単位である。
そこから得られる「質量関数」(2つの質量の組み合わせ)は0.416太陽質量で、この種の星としては大きい。

2つ目の独立した方法は、最も強い2つの脈動のまわりに軌道がつくる側帯ピークに基づくもので、同じ軌道、89.36日を与える。

見えている星の質量は約1.93太陽質量で、約263パーセク離れており、太陽の37.6倍の明るさで輝いている。これを軌道と組み合わせると、伴星の質量は少なくとも約1.8太陽質量になる。これは軌道をちょうど真横から見ている場合に達する最小値である。伴星がふつうの星だとすれば、最良の推定値は約2.2太陽質量になる。

見当たらない光

それほど重いふつうの星なら、簡単に見つかるはずだ。チームは、それがどれだけの光を加えるかを計算した。1.70〜1.86太陽質量の伴星なら、可視光と赤外線の帯域で系の光の約18〜26%、2.3太陽質量なら約43%になる。

ところが、可視光から中間赤外線まで測定された系の光は、単独のA型星にぴったり合い、赤外超過もない。過去のスペクトルにも2組目の明らかな吸収線は見られない。ただし、この星の速い自転は吸収線をぼやけさせる。したがって、単独のふつうの伴星は「強く否定される」と著者らは書いている。

残る2つの容疑者

2つの説明が残っており、現在のデータでは区別できない。

隠れた連星。 伴星そのものが近接連星である可能性がある。たとえば、それぞれ約0.9太陽質量の2つの星だ。2つ合わせれば必要な質量をまかないつつ、可視光では約4%、赤外線では8〜9%の光しか加えない。
死んだ星。 コンパクトな残骸、つまり中性子星、あるいは恒星質量ブラックホールなら、光をほとんど、あるいはまったく加えない。

チームはまた、0.544日ごとに繰り返す、よりゆっくりした信号も見つけた。その強さは軌道に合わせて強まったり弱まったりし、2つの天体が最も近づくあたりで最大になる。離心率の大きい軌道による潮汐で乱された脈動かもしれないが、著者らはこれを候補として分類するにとどめている。

1軌道周期にわたるスペクトル

決定的な検証は分光観測である。89日の軌道1周期全体にわたって高分解能スペクトルを繰り返し撮れば、軌道を独立に確かめ、伴星や隠れた連星の2つの星とともに動くかすかな吸収線を探すことができる。宇宙天文台ガイアの将来の測定では、この星が約1000分の1秒角ふらつくのが見えるはずで、軌道の傾きと伴星の全質量を突き止められる可能性がある。

arXivの掲載情報によれば、この論文はThe Astrophysical Journalに受理されている。ここで読んだ版は著者らの原稿である。