第3の星が説明する特異なパルサーの時計
毎秒約312回転するパルサー、8日ごとにその周囲を回る白色矮星、そして太陽とほぼ同じ質量を持ち73.5年周期で公転する恒星。この極めて珍しい三重星系を、中国と欧州の天文学者がそれぞれ独立にPSR J0435+3233の周辺で確認した。パルサーの自転に見られる一見異常な変化は、主に遠方の伴星の重力による影響だと明らかになった。
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中国科学院国家天文台は2026年10月9日、研究成果が「The Astrophysical Journal Letters」に掲載されたのに合わせて発表した。同台の発見発表によると、この天体は恒星の伴星を2つ持つパルサー系として確認された2例目で、通常の恒星進化を続ける伴星を含む、確認済みの原始的な系としては初めてとなる。
この違いは重要だ。これまで知られていた同種の系PSR J0337+1715は、パルサーと2つの白色矮星からなる。J0435+3233では、外側の伴星はまだコンパクトな残骸になっていない。研究者らはこの星をG型準巨星と特定した。太陽に近い温度を持ち、水素を燃やす主系列段階を終えつつある恒星だ。
この発見は、パルサーのタイミングの解釈も変える。観測された自転周期は年に約1ナノ秒ずつ長くなっており、同程度のミリ秒パルサーで見られる変化率のおよそ100倍に達する。新たな解析では、この異常な観測上の変化を、パルサー自身の中性子星が減速する速さの直接測定とみなすのではなく、外側の恒星に引かれて生じる運動によるものと説明している。
2020年の検出から三重星系の解明へ
中国の500メートル球面電波望遠鏡（FAST）は、同望遠鏡の共用電波天文サーベイで2020年6月8日にJ0435+3233を初めて検出した。その後の観測で、パルサーに近接した伴星があること、そしてタイミングの振る舞いをより包括的に説明する必要があることが分かった。
調査は数年にわたり進められ、各チームは電波観測と公開天文アーカイブを使って、パルサーを他の波長で見える天体と結びつけた。
- 2020年6月8日：FASTがPSR J0435+3233を初検出。
- 約5年間：FASTによる観測で、179回の観測セッションからパルス到来時刻の測定値を192件取得。
- 2026年4月：内側の連星と特異なタイミングを特定した研究成果が「Nature Astronomy」に掲載。
- 2026年10月9日：国家天文台が、「The Astrophysical Journal Letters」に掲載された三重星系の研究成果を発表。
観測セッションが179回、測定値が192件という違いは、研究論文がデータセットをどう記述しているかによるもので、同じものを巡る2つの異なる集計ではない。電波タイミング解析の期間は約4.9年に及ぶ。
中国側の研究には、Zonglin Yang、Han Jinlinらが複数の研究機関から参加した。ドイツ、オランダ、フランス、英国の研究者からなる欧州の別チームも、第3の恒星が存在するという基本的な結論に独立に到達した。
大きく異なる2つの軌道
J0435+3233は階層的三重星系だ。2つの天体が比較的近いペアを作り、第3の天体がそのペアの周囲をはるかに遠くから回る構造を指す。この系では、内側の2天体は、重い恒星の崩壊で残された中性子星であるパルサーと、より軽い恒星が残したコンパクトな天体であるヘリウム白色矮星だ。
パルサーは3.20ミリ秒ごとに1回転する。内側の軌道周期は8.0日で、離心率は0.00016。ほぼ円軌道だ。離心率は軌道がどれほど引き伸ばされているかを示し、ゼロなら円、1に近づくほど細長い軌道となる。
外側の恒星の軌道は大きく異なる。離心率は0.598で、国家天文台の発表では小数第1位に丸めて0.6とされ、周期は73.5年だ。報告された2つの周期を比べると、外側の恒星が1周する間に内側のペアは約3,350周する。
軌道面も互いに傾いている。解析では、相互傾斜角が約85度の場合と約54度の場合の2つの配置が認められている。前者では軌道面はほぼ直角に交わる。3つの天体の間で重力相互作用が続くものの、研究者らは、互いに大きく離れたこの配置が長期間安定して存続できるとみている。
見かけの減速が誤解を招いた理由
パルサーは回転に伴って地球の方向を横切るビームを放ち、一定間隔のパルスを生み出す。天文学者はその到来時刻を測り、自転と運動を追跡する。パルス間隔の変化は恒星の自転そのものの変化を示す場合もあるが、パルサーが地球に近づいたり遠ざかったりする加速によっても生じる。
この系では、遠方の恒星が、共通重心の周りを動く内側の連星を引っ張る。その運動が観測されるパルス間隔を変化させる。同じ加速は、内側の軌道の見かけのタイミングにも影響するはずだ。
研究者らは、パルサーの自転周波数と内側の連星の公転周波数の相対的な変化が約99％一致することを突き止めた。この高い一致は、回転エネルギーが異常に速く失われているというより、共通の重力作用が原因であることを裏付ける。
見かけの減速について、以前は強い磁場や特異な形成過程が示唆されていた。しかし三重星系の解析により、その観測だけから推測できる範囲に限界があることが分かった。論文によると、パルサー本来の減速の影響は外側の軌道運動と絡み合っているため、直接測定できない。したがって、年に1ナノ秒という観測上の周期増加は、それと同じ大きさの本来の減速が実証されたことを意味しない。
目に見える伴星とまばらなガンマ線
研究チームはFASTの観測を、Gaia、Pan-STARRS、2MASSの可視光・赤外線データ、およびフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡の観測と組み合わせた。これらの測定により、見えない電波時計を、可視の恒星伴星やガンマ線源と結びつけることができた。
可視光で対応する天体はGaia DR3 171833395176138240だ。その位置と空を横切る運動は、測定されたパルサーの位置と運動に一致する。Gaiaの年周視差測定によると、この系までの距離は約2.1キロパーセクで、誤差は0.4キロパーセク。光年に換算すると約6,850光年となる。
恒星の推定温度は5,854ケルビン、光度は太陽の約2.1倍だ。恒星の性質に基づく質量の推定値は太陽質量の0.98倍で、誤差は0.12倍。これらの測定は、質量と温度が太陽に近く、進化段階はさらに進んだ伴星という見立てを裏付ける。
フェルミのカタログにあるガンマ線源4FGL J0435.5+3232は、パルサーからわずか0.8分角の位置にある。研究者らはFASTのタイミングモデルを使って光子に回転位相を割り当て、ガンマ線のパルスを確認した。実際には、まばらな高エネルギーの検出がパルサーの反復する回転に一致するかを調べた。
国家天文台の発表によると、フェルミの18年分の公開アーカイブ観測には、利用可能な光子が160個含まれ、平均すると検出は月に約1個だった。一方、論文は共同解析で用いたガンマ線タイミングの期間を16.7年としている。前者はアーカイブ全体、後者はタイミング解析に当てはめた期間を指す。回転モデルの精度が十分に高ければ、これほどまばらな検出でも、電波観測より大幅に長い観測期間を確保できる。
精密な測定でも2つの配置が残る
中国チームの三重星系の論文は、電波とガンマ線のタイミング、内側の軌道の変化、Gaiaの測定値、外側の恒星に関する制約を組み合わせている。また、伴星の重力場を通過する光に生じる余分な遅れであるシャピロ遅延も考慮している。
国家天文台によると、中国側の解析は独立した欧州側の解析に比べ、軌道パラメーターを約10倍の精度で決定した。3つの恒星の重力相互作用や、複数の相対論的効果をモデル化したことが精度向上につながったとしている。両チームの一致はこの系の特定を裏付ける一方、配置の候補がなお複数残っていることから、全体の構造が一意に定まったわけではない。
相互傾斜角が約85度の配置では、当てはめられた質量は次の通り。
- パルサー：太陽質量の1.16倍、誤差0.05。
- 内側の白色矮星：太陽質量の0.273倍、誤差0.008。
- 外側の恒星：太陽質量の0.91倍、誤差0.05。
傾斜角が約54度の別の配置では、対応する推定値はパルサーが太陽質量の1.34倍、白色矮星が0.305倍、外側の恒星が1.13倍で、誤差はそれぞれ0.15、0.023、0.07。これらは異なるモデルによる解であり、恒星の質量が変化したことを示す証拠ではない。
共に生まれ、存続が難しかった星々
研究者らは、3つの恒星が同じ雲から共に形成されたという起源を有力視している。この系は密度の高い星団ではなく銀河の一般領域に位置しており、後の接近遭遇によって形成されたという説明は自然さに欠ける。ただし、原始的な起源という見立ては、直接観測された出来事ではなく、進化過程に基づく推論だ。
提案されている進化史では、もともと最も重かった恒星は太陽の約20倍の質量を持っていた。燃料を急速に使い果たして爆発し、現在パルサーとして観測される中性子星を残した。内側の白色矮星の前身は、当初、太陽の数倍の質量があった。初期質量が太陽と同程度だった外側の恒星は、よりゆっくりと進化した。
中性子星の誕生を乗り越えられる保証はなかった。超新星爆発は系の質量を減らし、生まれたばかりの中性子星に速度のキックを与えることもある。どちらも多重星系をばらばらにする要因となる。進化解析では、キックがない場合を想定しても系が結びついたまま存続する確率は約35％と推定され、存続に必要な条件の厳しさが示されている。
外側の恒星が遠くにあったことで、近接したペアの進化からある程度切り離されていた。ただし、超新星爆発が重力の均衡を変えるとき、距離だけで存続が保証されるわけではない。現在の配置は、共通の起源を持つ可能性と、破壊的な恒星の死を乗り越えたことの両方を記録している。
予測される最終状態は、さほど劇的ではない。Yang氏らは論文の要旨で、行き着く先について次のように述べている。
最終的には、中性子星と2つの白色矮星からなる系へと進化する。
その変化がいつ起こるかは示されていない。恒星進化の時間尺度にわたる予測であり、現在の観測期間中に起こる出来事ではない。
重力の解明に役立つこの系
恒星の伴星を2つ持つパルサーは、内部構造が大きく異なる天体に重力がどう作用するかを測定する手段となる。中性子星は極めて小さな体積に大きな質量を詰め込んでいる一方、白色矮星や準巨星ははるかに密度が低い。
国家天文台は、この系を強い等価原理の検証に使える可能性のある実験場と位置付けている。簡単に言えば、強い等価原理とは、自身の重力による束縛の強さが大きく異なる天体でも、外部の重力場では同じように落下するかを問う原理だ。外側の伴星が内側のペアにそのような重力場を及ぼす。
パルスを繰り返し測定すれば、予測される運動と観測された運動のごく小さな差を探る助けになる可能性がある。ただし、今回の発見は、新たな検証結果や一般相対性理論への反証を発表したものではない。測定可能な相互作用を今後の検証に利用できる系が見つかったということだ。
希少性を示す表現には、対象範囲を明確にする必要もある。J0435+3233は、恒星の伴星を2つ持つパルサー三重星系として確認された2例目だ。惑星や非常に軽い外側天体を含むパルサー系は別の分類となる。先行する恒星系の例J0337+1715は、すでに重力検証に役立っている。進化を続ける準巨星を含むJ0435+3233は、それと対照的な例となる。
未解明の点
研究者らが観測したのは、73.5年に及ぶ外側の軌道の一部にすぎない。ガンマ線タイミングの観測期間は軌道周期の約23％、電波観測は約7％に相当する。この割合は、長期のアーカイブ記録が貴重な理由と、観測を続けることが重要な理由を示している。
Gaiaとパルサーのタイミング測定から、空に投影した距離は約11,000光秒と推定され、誤差は2,000光秒。両者の相対運動から、この空での距離は縮まりつつあるとみられる。これは投影された距離であり、恒星と内側のペアの実際の距離全体を示すものではない。
論文はまた、軌道運動がGaiaの年周視差測定に系統誤差をもたらす可能性があると注意を促している。外側の軌道を明示的に考慮した長期観測により、距離の推定が改善し、認められている2つの配置を見分けやすくなる可能性がある。
これらの候補を解明する期限や、新たな重力検証の予定は発表されていない。明らかになったのは、急速に回転する中性子星、近接したヘリウム白色矮星、そして謎めいたタイミング変化をその重力で説明する遠方の準巨星からなる、希少な構造だ。
要点
- FASTは2020年6月8日にPSR J0435+3233を発見し、三重星系の研究成果は2026年10月9日に発表された。
- パルサーは3.2ミリ秒ごとに回転し、白色矮星とほぼ円形の8日周期の軌道を共有している。
- 太陽とほぼ同じ質量の準巨星が、細長い73.5年周期の外側の軌道を回っている。
- パルス間隔の異常に大きな観測上の変化は外側の伴星で説明できるが、パルサー本来の減速は直接測定されていない。
- 中国と欧州のチームが独立に三重星系を確認したが、軌道の配置は2通りが可能だ。
- この系は今後の重力検証の候補で、最終的には中性子星と2つの白色矮星からなると予測されている。
