トランジショナルミリ秒パルサー: 新しい視点

移行型ミリセカンドパルサー（tMSP）は、特異な宇宙のオブジェクトのグループなんだ。低質量X線バイナリとミリセカンドラジオパルサーという、2種類の天体をつなげている。これらのパルサーは、ラジオ波を出す状態と、低輝度のX線円盤を作る状態の2つの異なる状態を切り替える。この切り替えは予測不可能な間隔で起きて、しばしば数週間や数ヶ月のうちに行われる。

有名なtMSPのPSR J1023 0038は2007年に発見された。1.69ミリ秒という超高速の自転をしている。このパルサーは小さな伴星の周りを回っていて、4.75時間で軌道を一周するんだ。2013年には、X線やガンマ線、さらには紫外線や光学信号を含む複数の波長で突然明るさが増加したのが観測された。この期間中、ラジオ信号は消え、状態の変化を示唆した。

#観測と研究方法

2021年6月、研究者たちはPSR J1023 0038に対する包括的な観測キャンペーンを実施した。この研究では、ラジオ波からX線までの広い波長範囲をカバーする12の異なる望遠鏡や機器を利用した。これは、このパルサーに対する最も広範な観測努力だった。

キャンペーンは2晩にわたって分けられた。初日の観測はXMM-ニュートンやハッブル宇宙望遠鏡のような機器を使って行われ、2日目はNICERや非常に大きな望遠鏡からの観測が行われた。各機器は、パルサーの活動の異なる側面を捉え、多面的な分析を可能にした。

#モード切り替えの発見

観測中、研究者たちはX線の明るさが高いモードと低いモードの間で切り替わるのを確認した。これらのモードは異なる明るさとフレアの間隔によって特徴付けられていて、パルサーは観測時間の約70-80%を高いモードで過ごし、低いモードは20-30%に過ぎなかった。

高いモードではX線、紫外線、光学光がすべて存在したけど、低いモードではこれらの信号は消えた。研究者たちは、特に降着円盤と伴星に関連する光学や近赤外線の点滅やフレアも観察した。

#放射パターンの詳細な分析

研究は、これらのモード切り替えがなぜ起こるのかを理解することに焦点を当てた。両方の状態での光の放出モデルを作成することで、変化はパルサーの周りの降着円盤の内側のエリアの変化に起因している可能性が高いことがわかった。

高いモードの放出は、パルサーから離れる狭い物質の流れであるコンパクトジェットの上で起こる、離散的な質量放出に関連していた。この高いモードと低いモードの間の遷移中に検出されたミリメートルフレアが質量放出の瞬間を示していた。

#ラジオ放射と課題

研究者たちは、このキャンペーン中にラジオ放射を探す際に大きな課題に直面した。結果は、低いX線モードのエピソード中に明るく変動するラジオ信号を示した。でも、一般的にパルサーから期待される定期的なラジオパルスは、どちらのモードでも検出されなかった。パルスされたラジオフラックス密度の上限は、ラジオパルサー状態で期待されるものよりも数桁低かった。

この検出の欠如は、可能な理由についての疑問を呼び起こす。一つの理論は、パルサーの周りにある物質の円盤がそのラジオ放射を隠す可能性があるということ。つまり、パルサーの表面に到達することなく大量の物質が放出されているかもしれない。

#システム内の物質の流れ

システム内での物質の流れを理解することは、観測された行動を説明するのに重要だ。高いモードでは、降着円盤に入ってくる物質が膨張し、衝撃を生んでX線放射の大部分を生成する。高エネルギーの荷電粒子で構成されたパルサー風がこの円盤を貫通し、入ってくる物質と衝突してコンパクトジェットを生成する。

システムが低いモードに切り替わると、円盤からの物質が排出され、明るさが低下し、光学およびX線パルスが終了する。パルサー風はその後も機能し続け、別の方法で放射に寄与するジェットを生成する。

#ミリメートル放射とその重要性

PSR J1023 0038からのミリメートル放射がこのキャンペーン中に初めて検出された。これらの放射はジェットの存在を示し、周囲の物質との複雑な相互作用を示唆している。測定はかなりの変動を明らかにし、一部のピークは重要なエネルギーのバーストを示していた。

この研究はまた、ミリメートル放射がX線の挙動と直接的に相関しないことを強調していて、短いフレアイベントの間を除いては特にそうだった。この複雑な関係は、これらの異なる放射がどのように相互作用するのかをさらに複雑にしている。

#モード切り替えの物理的な絵

高いモードと低いモードの間での遷移中に起こる一連のイベントは、詳細な物理的な絵を明らかにする。高いモードのとき、降着円盤はパルサー風と活発に相互作用していて、異なる波長で様々な放射を生成している。このシステムは降着の安定した状態と爆発的な質量放出の間で交互に切り替わっているようだ。

質量放出は高いモードから低いモードへの移行を示す離散的なイベントとして見られる。ジェットとパルサー風はこれらの放出を引き起こす重要な役割を果たし、その結果生じる放射は関与するダイナミクスを理解する手がかりを提供している。最終的には、降着円盤からの物質の流れが戻り、高いモードの活動を再び可能にする条件を再確立する。

#結論と今後の方向性

この広範な観測キャンペーンからの発見は、移行型ミリセカンドパルサーとその独特な挙動に対する理解を大いに進めるものだ。パルサー、降着円盤、周囲の物質との相互作用は、これらのシステムの複雑さを示している。今後の研究は、これらの現象を探求し続け、パルサーとその環境の挙動についてのさらなる洞察を提供していくことになる。

今後の研究努力は、より詳細を捉えるための観測技術の向上に焦点を当てて、これらの動的システムを理解するために用いるモデルを洗練していくべきだ。もっと多くのtMSPや類似のシステムを観測することで、これらの驚くべき宇宙イベントを駆動するメカニズムについての深い真実を明らかにすることが期待されている。