4U 1820-30の興味深い行動

4U 1820-30は、ウルトラコンパクト低質量X線バイナリ（LMXB）として知られる特別なタイプの星系なんだ。これは、NGC 6624という名の球状星団の中にある、星が密集してる場所に位置してる。このシステムは2つの星から成り立っていて、1つは非常に密度の高い中性子星、もう1つはヘリウムの白色矮星。この白色矮星も密度は高いけど、中性子星ほどではないんだ。

4U 1820-30の注目すべき特徴は、その短い軌道周期で、2つの星が非常に速く互いに回っていて、たった685秒で1回の公転が終わっちゃうんだ。これは、天文学者が知ってる中では最も短い周期のシステムの一つだよ。

#観測と過去の発見

科学者たちは何年もかけて4U 1820-30を研究して、これらの星がどのように相互作用しているのか、そしてこのユニークな環境で何が起こっているのかを理解しようとしてきた。最初の重要な観測は1970年代に行われて、X線バーストが発見されたんだ。このバーストは、白色矮星から物質が中性子星に引き寄せられて起こるものなんだ。

時間が経つにつれて、さらに多くの観測が、4U 1820-30にユニークな公転運動のパターンがあることを示した。それは、こういうシステムが通常予想される動きとは異なる変化をするみたい。この予期しない行動、特に負の軌道周期導関数は、システムが科学者たちが以前考えていたのとは違うふうに振る舞う可能性を示唆しているんだ。

#軌道周期とその導関数の重要性

物理学では「軌道周期」というのは、1つの物体が別の物体の周りを1周するのにかかる時間のことを指す。「軌道周期導関数」は、その周期がどれだけ時間とともに変化するかの測定なんだ。簡単に言うと、周期が長くなったり短くなったりしてると、その変化がシステム内で作用してる力についてたくさんのことを科学者に教えてくれるんだ。

4U 1820-30の場合、観測された負の軌道周期導関数は、2つの星が互いに回るのにかかる時間が実際には減少していることを意味してる。これは驚きで、ほとんどの理論はこのようなシステムが正の軌道周期導関数を持つはずだと予測してるから、時間とともに周期が増加するってわけだ。

#最近の研究とデータ収集

さらに調査するために、科学者たちはNICER（Neutron star Interior Composition ExploreR）という新しいツールを使ったんだ。これはX線を観測する望遠鏡。2017年から2022年中頃まで、NICERは4U 1820-30に関する豊富なデータを集めたんだ。この新しいデータと以前の観測を組み合わせて、約46年の期間での軌道周期の変化を探ったんだ。

彼らは光カーブを分析した。光カーブは、物体の明るさが時間とともにどう変わるかを示すグラフだよ。これらの光カーブから、彼らは軌道周期の測定とその周期で起こっている変化を洗練させることができたんだ。

#軌道周期の変化に関する発見

分析を通じて、研究者たちは4U 1820-30の軌道周期の導関数が約-4.3 x 10^-11秒/秒であると結論づけた。この負の値は、軌道が短くなっていることを示していて、今の理論に基づく予想とは矛盾しているんだ。

さらに、研究者たちは二次の軌道周期導関数に関する強い証拠は見つけられなかった。これは星の運動においてもっと複雑な振る舞いを意味するもので、この重要な二次の効果がないことは、軌道周期の変化にもかかわらず、システムがかなり安定していることを示唆しているんだ。

#観測された変化の可能な説明

観測された軌道周期導関数が理論予想と矛盾しているから、科学者たちはいくつかの可能な説明を提案している。一つの考えは、中性子星が球状星団自体の重力の影響で加速されているかもしれないというものだ。

もう一つの可能性は、4U 1820-30がかなりの質量流出を持っていることで、つまり、システムから物質が放出されていて、それが星の運動に影響を与えているかもしれないということ。この場合、内因的な軌道周期導関数は、重力放射だけから推測されるよりもずっと大きくなるだろう。

#X線光カーブにおけるスーパーハンプ変調

このシステムを研究している間に、研究者たちは約693.5秒の周期でX線光カーブに周期的な変調を検出したんだ。この変調はスーパーハンプと呼ばれる現象で、特定のタイプのX線バイナリシステムで観察されるものだよ。

スーパーハンプは、中性子星に物質が引き寄せられるアクセレーションディスクの歳差運動による周期的な明るさの変化なんだ。4U 1820-30におけるその存在は、アクセレーションディスクが複雑なふうに振る舞っていることを示唆していて、それは中性子星と白色矮星の相互作用によるものかもしれない。

#スーパーハンプと質量比の関係

スーパーハンプの周期と軌道周期の関係は、システム内の2つの星の質量比を推測するために使えるんだ。この質量比は、2つの星がお互いの振る舞いにどう影響を与えているかを理解する手がかりになる。

4U 1820-30の場合、計算によれば質量比はかなり小さいことが示唆されていて、中性子星とヘリウム白色矮星から成るバイナリシステムの特性と一致してるんだ。

#第三の星の役割

4U 1820-30に関するもう一つの興味深い視点は、システム内に第三の星がいる可能性だよ。一部の理論では、第三の星がバイナリペアを周回しているかもしれないと考えられてる。この第三の星の重力の影響が、観測された軌道周期の変化に寄与していて、システム内の質量移動プロセスにも影響を与えるかもしれない。

中性子星と白色矮星から成るバイナリペアを周る第3の星がいる階層的な三重星系の考え方は現実的だよ。もしそうだとしたら、星同士の相互作用が質量移動のレートや軌道力学に変動を引き起こす可能性があるんだ。

#結論

4U 1820-30は天文学者にとって興味深い研究対象で、ウルトラコンパクトバイナリシステムの振る舞いについての洞察を提供している。そのユニークな軌道特性は、現在の理論的理解に挑戦していて、球状星団のような密集した星環境での星の相互作用の複雑性を浮き彫りにしているんだ。

NICERのような近代的な天文台を利用することで、研究者たちはこれらのシステムについてさらに多くを明らかにし、それらのダイナミクスに関する知識を洗練し、質量移動や潜在的な第3の星の影響を探っている。引き続き観測と分析が、4U 1820-30や宇宙の似たようなシステムに関する謎を解くのに重要なんだ。