観測史上最も引き伸ばされた軌道を回る2つの死んだ星

中性子星のペア、つまり重い星が残した崩壊した中心核どうしは、互いのまわりを回りながら、重力波としてゆっくりとエネルギーを失っていく。最初の例は1974年に見つかり（PSR B1913+16）、今では30個以上が知られている。いくつかは最終的に合体し、LIGOが検出したGW170817やGW190425のような現象を生む。天の川銀河にこうしたペアがどれだけ残っていて、どんな軌道を回っているのかは、重力波天文学にとっても、連星がどう進化するかという物語にとっても、基本的な問いである。

記録的な軌道

PSR J0653+0443 はパルサー、つまり電波ビームが灯台のように地球をかすめる中性子星で、47.5ミリ秒ごとに1回自転している。中国の**500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）**で 2022年11月20日に初めて検出され、天の川銀河のペルセウス腕の中、約1キロパーセク（3,000光年ほど）の距離にある。

2年以上にわたってパルスのタイミングを測った中国国家天文台と協力大学の Z. L. Yang、J. L. Han らは、このパルサーが別の中性子星のまわりを回っていることを突き止めた。質量はパルサーが太陽の1.38倍、伴星が1.44倍である。

その軌道は並外れている。

• 周期は 79.084日で、知られている二重中性子星のなかで最も長い。
• 離心率（円なら0、ほとんど開いた曲線になるほど引き伸ばされた軌道なら1に近い）は 0.99238692。恒星のペアでこれまで測られたなかで最も高い。それまでの記録は、ふつうの連星での0.985だった。
• 伴星の一方の側から反対側へ回り込むのに46分しかかからず、79日のほとんどは遠く離れて過ごす。
• 最接近時の距離は太陽半径の0.83倍、約58万キロメートルで、太陽そのものの半径より小さい。相対速度は秒速1,140キロメートルで、知られている二重中性子星のなかで最大である。

FASTは動かせない皿で、真上の空の帯しか見えない。最接近がいつもその帯に入るとは限らないのだ。2025年から2028年のあいだで、FASTの視野に入る通過は2回だけだ。2025年2月19日と2027年4月21日である。チームは1回目を2時間にわたり、1分に1回の測定で追跡した。

食と、揺れる楕円

その通過のあいだ、パルサーの電波信号は、伴星の磁気的な環境の背後を通るときに85秒間消えた。これは、私たちが軌道をほぼ真横から見ていることを意味する。二重中性子星で食が観測されたのは、有名な二重パルサー PSR J0737−3039A に続いて2例目にすぎない。

一般相対性理論によれば、楕円はゆっくりと向きを変える。これが近星点移動で、軌道の最接近点がゆっくりと回り込んでいく。ここでは予測どおり年0.017791度と測定された。しかしこの移動は一様ではなく、最接近の近くで速くなる。このほぼ放物線のような軌道では、通過のあいだに軌道の向きそのものが変わり、パルサーを私たちの方へ、次に私たちから遠ざかる方へ動かして、パルスの到着を −2.91ミリ秒から+2.49ミリ秒だけ早めたり遅らせたりする。これは、ほかのどの同種の系よりも10倍以上大きい。

激しいキックから生まれた

こうしたペアは、2つの重い星が相次いで爆発してできると考えられている。著者らによれば、これほど極端な離心率は、母星の鉄の中心核が崩壊するときに2つ目の中性子星が受けた**大きな「キック」**からしか生まれない。彼らのシミュレーションでは、秒速およそ400キロメートルを超えるキックが示唆される。

彼らはまた、約10億組の重い連星をシミュレーションした。生き残った二重中性子星のうち、離心率が0.95を超え、周期が50〜110日のものは 0.5%未満だった。ところがこの系は、球状星団の外、銀河円盤で知られるわずか28個のなかから見つかった。著者らの言葉では、「私たちがとても幸運なのか、あるいは現在の連星進化の理論と重力崩壊型超新星についての現在の理解に修正が必要なのか、どちらかだ」。

重力波のバースト

2つの星は79日に1回しか接近しないので、重力波を周期的なバーストとして放出する。放射のピークは 0.357ミリヘルツ付近、47分に1周期にあたる。これは最接近の通過の長さである。計画中の宇宙重力波観測所LISA、Taiji、TianQinには弱すぎるが、LISAmax のような将来の構想なら10年かけて検出できる可能性がある。このペアは約25億年後に合体し、GW170817のような現象で最期を迎える。