中国のスカイアイ、パルサー1,000個に向かって前進中！

最近、中国の世界的に有名な「ビッグポット」に関するニュースが主要ニュースプラットフォームに掲載されました。「China Sky Eye」FASTが883個のパルサーを発見し、年内にこの数を1,000個に更新する計画です。

CCTVニュースチャンネルからの画像

では、パルサーとはいったい何なのでしょうか?なぜわざわざ探す必要があるのでしょうか?見つけたら何の役に立つの？今日はそれについて詳しく話し、FAST に関する噂を皆さんと共有しましょう。

パルサーは狂ったように光る星ですか?

まず「パルサー」についてお話しましょう。地球から見ると、パルサーは数ミリ秒から数百秒までの非常に短い間隔で電磁パルスを定期的に発する天体です。しかし、パルサーは実際には瞬いているわけではありません。いわゆるパルスは、パルサーが猛スピードで回転することによって生じる単なる錯覚です。
ではパルサーはどこから来るのでしょうか?実際、それは星の「内なる引力」の結果です。

私たちが肉眼で見ることができるすべての「通常の」星には、互いに反対方向に働く 2 つの力があります。重力は物質を中心核に向かって押し込み、核融合によって放出されるエネルギーは物質を外側に押し出します。

核融合の燃料はいずれ枯渇するので、最終的には必ず重力が勝利することになります。巨大な星（例えば、太陽の 8 倍以上の質量）が最終的にすべての燃料を使い果たすと、星は内部に崩壊し、激しく内部崩壊し、その後、輝かしい花火のように外側に広がります。このプロセスは超新星爆発と呼ばれます。

北宋の智和元年（1054年）、おうし座の天官星座の近くで超新星が爆発した。昼間は23日間、夜間は22か月間観測できました。この超新星爆発は中国の天文学者によって記録され、歴史上「天官客星」として知られています。

塵が消散すると、星の元の位置には、非常に密度の高い天体、つまり中性子星が残ることがあります。内部では原子構造は存在せず、電子は原子核に押し込まれ、陽子と結合して中性子を形成します。中性子星の質量は太陽の1.4倍以上ですが、その直径はわずか十数キロメートルです。言い換えれば、中性子星の物質 1 立方センチメートルは、世界中の全人類の総質量に相当します。

中性子星も恒星残余質量の回転角運動量を継承します。同じ角運動量では、回転速度は半径の二乗に反比例します。アイスダンサーが回転中に両腕を合わせたり、頭の上に上げたりすると、突然非常に速く回転するのをよく見かけます。同様に、恒星が中性子星に崩壊すると、その回転速度は数十億倍に急上昇します。

パルサーからの電波パルスが地球を通過します。プロデューサー：マイケル・クレイマー

中性子星は強力な磁場を持ち、その磁場によって周囲の荷電粒子が動かされ、2 つの磁極から強力な電波放射が放出されます。中性子星の自転に伴う放射線ビームが偶然地球を横切ると、ディスコの特殊効果ライトが常に円を描いて回転しているのと同じように、周期的な電波パルスを検出できるようになります。ライトは常に点灯していますが、一方向から見ると明るく見えたり暗く見えたりします。さて、この例えを使うと、パルサーは、自分自身の墓の上で踊っている星の残骸であると言えます...

前述の天官客星は周期33ミリ秒（ 1秒間に30回転）のパルサーを残し、それが放出した冷却花火が有名なかに星雲です。

かに星雲。画像提供: NASA

世界中で発見されている 3,000 個以上のパルサーのうち、大多数は中性子星ですが、さそり座 AR 星とみずがめ座 AE 星という 2 つの白色矮星 (原子構造を保った低質量星の残骸) も存在します。

FASTは「速い」という意味ではない

ほとんどのパルサーは可視光帯域では大きな放射線を放射しませんが、電波帯域では明るく見えます。幸いなことに、地球上の大気は電波帯に非常に適しており、透明度も極めて高いため、地上でのパルサー観測には電波望遠鏡が特に適しています。

地球の大気がさまざまな波長の電磁波を遮蔽すること。画像提供: NASA

次に、FAST についてお話ししましょう。

FASTという名前は、「Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope」の略語に由来しています。この巨大な単皿電波望遠鏡は、貴州省平塘県大沃堂（ダン）にあります。カルスト地形の自然な窪みに合わせて建てられました。 2011年に建設が始まり、2016年に完成した。現在、反射面を備えた世界最大の全口径電波望遠鏡である（ロシアのRATAN-600は直径576メートルだが、反射リングは薄い円状しかない）。

高速航空写真。画像出典：FAST公式サイト

——ところで、FASTという略称はかっこいいと思うかもしれませんが、正式名称はストレートすぎる気がします。方法はありません。 「略称は不明瞭だが印象的だが、正式名称は本当に創造性に欠ける。」これは天文学界の伝統です。たとえば、TMT は「Thirty Meter Telescope」、VLT は「Very Large Telescope」、ELT は「Extremely Large Telescope」、EELT は「European Extremely Large Telescope」の略です。ウェッブ宇宙望遠鏡の音は正常ですか?しかし、その元の名前は実際には「次世代宇宙望遠鏡」（ハッブル宇宙望遠鏡に関連して）でした...

電波望遠鏡はなぜこんなに大きいのでしょうか?これは、同じ解像度要件の下では、観察する波長が長くなるほど、「ポット」の開口部が大きくならなければならず、そうでないと鮮明にならないためです。赤外線帯域で動作するウェッブ望遠鏡は、可視光に焦点を合わせるハッブル望遠鏡よりも口径が大きい（6.5メートル対2.4メートル）。電波望遠鏡が観測する必要がある帯域は、これら 2 つよりも 5 桁または 6 桁高くなります。本当にもっと大きくしないといけないですね。ここでは絞りが正義であると言うのはまったく正しいです。

注意深い読者は、次の 2 つの疑問を持つかもしれません。

① 球面は実際には遠くの星の光を一つの焦点に集めることはできません。放物線が必要です。では、なぜ FAST は球面望遠鏡として作られているのでしょうか?

②このように大きな鍋を地面に置くと、天頂を見つめているだけになりませんか？地球が自転しても、天頂がある円しかスキャンできないのですか？

実際、これはよくある誤解であり、大衆科学で単純な類推を使用することによる悪影響です。電波望遠鏡はその形状から、さまざまなタイプを「ポット」と呼ぶことがあります。しかし、これでは私たちの考えが誤解され、FAST は家庭で料理に使う大きな鉄鍋のようなもので、硬くて頑丈で形が変わらないものだと思わせてしまいます。しかし、実際には、FAST は非常に柔軟性があります。

FASTは、モーターで駆動され姿勢を変えることができる4,450枚の反射パネルで構成されています。あるエリアの反射パネルを統一されたコマンドで定期的に調整すると、「ポット」に「波紋」が生じ、鏡の形状が変わります。

「FASTの父」ナン・レンドン氏とそのチームの計算によれば、球面から0.47メートル逸らすことで、直径300メートルの球面を放物線に変えることができ、無線信号を一点に集中させることができるという。したがって、FAST には常に、直径 300 メートルの円形の作業領域しかありません。反射鏡の協調調整により、この作業領域は「ポット」内で自由に「ドリフト」できるため、観測可能な空域の範囲は非常に広くなります。

300 メートルの開口部全体が維持されれば、北緯 52.2 度 (作業領域はポットの南端に近い) から南緯 0.6 度 (作業領域はポットの北端に近い) までの観測が可能になります。有効口径を少し犠牲にしてもよい場合は、北緯 65.8 度から南緯 14.2 度までの空をカバーできます。

FAST 光路、黄色の点線は放物線作業領域です。画像出典: 南仁東「FAST プロジェクト紹介」

パルサー観測の実際的な応用は何ですか?

FAST はこれまでに数多くのパルサーを発見してきましたが、パルサー観測の実際的な応用は何でしょうか?用途はいろいろあります。

パルサーからの信号が星間空間を移動するとき、途中でイオン化されたガスによってブロックされ、遅延が発生します。距離が長くなるほど、イオン化されたガスが多くなり、遅延が大きくなります。パルサーが私たちからどれくらい離れているかを知り、遅延の度合いを正確に測定すれば、信号の経路に沿った星間物質の分布を推測することができます。

磁場はパルサー信号にも影響を与えます。電磁信号が磁場を通過すると、その偏光特性が変化します。磁場が強くなるほど、変化も大きくなります。信号の偏光を測定することで、信号の経路に沿った磁場の分布を推測できます。

超大質量物体が時空を乱すと、重力波が発生し、パルサー信号が地球に到達するまでの時間が変わります。したがって、パルサー周期の変動を正確に測定することで、重力波を検出することができます。パルサー・ブラックホール連星系を発見し、安定した出力を持つ天体と時空を歪ませる天体が宇宙をかき乱す様子を観測できれば、一般相対性理論の予測を検証し、基礎物理学研究を大きく推進することができるだろう。

パルサーの回転周期は非常に安定しており、長期的な性能においては原子時計に匹敵するものもあります。さらに、これらの時計は「電力を失うことがない」ため、原子時計よりもはるかに堅牢です。パルサーと原子時計を組み合わせることで、長期間にわたって安定した正確な時間システムを確立でき、星間航行にも使用できます。

ボイジャーの「地球の声」ゴールデンレコードの左下隅には、14 個のパルサーが使用されており、太陽系の方向を示しています。画像提供: NASA

まとめると、FAST とそれが発見するパルサーは、私たちが宇宙をより深く理解するのに役立ち、これらの発見はいつの日か人類が星の海を航海するのに役立つかもしれません。

企画・制作

著者: ク・ジオン ポピュラーサイエンスライター

レビュー丨北京天文館研究員劉曦

企画丨Ding Zong

編集者: ディン・ゾン