金牛座的距離地球6500光年的有名天體“螃蟹星云”中心高速旋轉(zhuǎn)的星星“螃蟹脈沖發(fā)生器”發(fā)出各種各樣的光，周期性地變亮“脈沖”。 理化學研究所等國際研究小組發(fā)表的報告稱，通過觀測發(fā)現(xiàn)，脈沖中特別具有戲劇性的東西不僅發(fā)生在電波中，也發(fā)生在x射線中。 查明了戲劇性的脈沖輸出的能量遠遠大于以往的認識。 作為與理解脈沖的結(jié)構、解開從宇宙遠方傳來神秘的強電波的現(xiàn)象等相關的成果而備受矚目。
質(zhì)量大的星星在一生結(jié)束后發(fā)生大爆炸的話，有時會殘留超高密度的星星“中子星”。 1968年發(fā)現(xiàn)的螃蟹脈沖發(fā)生器也是其中之一，一邊發(fā)出電波和x光等光，一邊每秒自轉(zhuǎn)30次。 從地球來看，好像要發(fā)射脈沖一樣，看起來會增加光量，因此被稱為脈沖發(fā)生器。
用各種波長拍攝位于中心的“螃蟹星云”和“螃蟹脈沖發(fā)生器”合成的圖像(由NASA提供)
對脈沖發(fā)生器發(fā)出光的結(jié)構還不太清楚。 電波有時會比平時亮10~1000倍的現(xiàn)象“巨大電波脈沖”也還不清楚。 脈沖發(fā)生器在電波和除此之外的光中發(fā)生的結(jié)構不同，所以一般認為這樣戲劇性的增光只能通過電波發(fā)生。 但是，2003年，在螃蟹脈沖發(fā)生器中發(fā)現(xiàn)了可見光與巨大電波脈沖一起變亮數(shù)%的現(xiàn)象。 能量更大的x射線和伽馬射線是否也會增光，一直受到研究者的關注。
從左側(cè)開始依次是國際宇宙空間站的x光望遠鏡“奈瑟”、JAXA的64米射電望遠鏡、NICT的34米射電望遠鏡(由NASA、JAXA、NICT提供)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生巨大電波脈沖的瞬間，x射線的脈沖會增加4%。 即使只有4%，x射線的能量也遠遠大于電波。 由此可知，脈沖發(fā)生器在產(chǎn)生巨大電波脈沖時，發(fā)出的能量比以往的認識高出了數(shù)百倍以上。
觀測結(jié)果。 x光在產(chǎn)生巨大電波脈沖時(紅線)比通常時(黑線)亮(理研提供)
據(jù)悉，圍繞巨大電波脈沖的結(jié)構，有理論模型認為與高密度的等離子體有關等，今后有必要能夠說明x線的增光。 另外，有觀點認為巨大電波脈沖是從宇宙遠方瞬間傳來強電波的神秘現(xiàn)象“高速電波突發(fā)”的真實身份，但通過這次的成果得知x射線的能量過大，變得難以說明。研究小組的理化學研究所的榎戶輝揚小組組長在記者招待會上表示:“高速電波猝發(fā)的真實身份要多想想別的東西?！?最近得知，中子星的一種，具有非常強磁場的“磁星”會發(fā)生相似的現(xiàn)象，因而受到了有力的重視。 我們的成果也與其一致。 但是，也不排除是中子星以外的可能性，今后會變得有趣。”研究組除了理研以外，還由東京大學、廣島大學、臺灣國立彰化師范大學、JAXA、NICT、美國國家航空航天局( NASA )等組成。 成果刊登在美國科學雜志《科學》上，時間9日。
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理化學研究所
東京大學宇宙線研究所
広島大學
國立彰化師範大學
宇宙航空研究開発機構
情報通信研究機構
アメリカ航空宇宙局
隱藏在宇宙燈塔“螃蟹脈沖發(fā)生器”中的x射線閃閃發(fā)光 - -成功檢測到與巨大電波脈沖同步的x射線增光
理化學研究所(理研)開拓研究總部的榎戶輝揚理研白眉研究小組組長、胡欽平客座研究員(國立彰化師范大學助教)、東京大學宇宙線研究所的寺澤敏夫名譽教授、淺野勝晃副教授、廣島大學的木坂將大助教、宇宙航空研究開發(fā)機構的村田泰宏副教授、信息通信研究機構的關戶衛(wèi)研究經(jīng)理、 美國航空航天局基思·詹多魯NICER團隊代表、扎本·亞美尼亞NICER團隊共同代表等國際共同研究小組與高速自轉(zhuǎn)的中子星[1]“螃蟹脈沖”[2]同步增長本研究成果在過去的20年中，即使多個小組挑戰(zhàn)也未能完成，期待對宇宙遠方發(fā)生的高速電波猝發(fā)( FRB ) [3]的起源和發(fā)生機理的闡明也做出貢獻。特別是脈沖發(fā)生器，有時會產(chǎn)生戲劇性地變亮的GRP。 一直以來認為這樣的脈沖增光只能通過電波發(fā)生。 但是，近年來，由于發(fā)現(xiàn)了與GRP同步的可見光脈沖稍有增光的現(xiàn)象，因此，在能量更高的x射線和伽馬射線中是否也會發(fā)生同樣的現(xiàn)象備受關注。此次，國際聯(lián)合研究組將國際空間站搭載的美國航空航天局的x射線望遠鏡NICER[4]與日本的兩個射電望遠鏡合作，從2017年開始持續(xù)對x射線和電波進行同時觀測，結(jié)果在GRP產(chǎn)生的瞬間，x射線脈沖也將增加4%左右 我們發(fā)現(xiàn)，這將釋放出比GRP以往想象的更大的能量。本研究將在科學雜志《Science》( 4月9日號)刊登之前，刊登在在線版( 4月8日:日本時間4月9日)上
發(fā)現(xiàn)了與“螃蟹脈沖發(fā)生器”的巨大電波脈沖同步的x射線增光
“背景如果大質(zhì)量恒星在其一生結(jié)束后發(fā)生超新星爆炸[5]，就會留下黑洞和中子星。 中子星中，半徑約10km的物質(zhì)被壓入太陽質(zhì)量的1.4倍，達到一個方糖體積( 1cm3)高達1億噸的超高密度狀態(tài)。 中子星外側(cè)有充滿強磁場和等離子體的磁圈，從那里一邊發(fā)射電波和x光，一邊和磁圈一起以每轉(zhuǎn)幾毫秒到幾十秒的高速自轉(zhuǎn)。 因此，當中子星的輻射指向地球時，可以觀測到伴隨自轉(zhuǎn)的周期性脈沖。 產(chǎn)生這種脈沖的中子星也叫做“脈沖發(fā)生器”，有時也被稱為“宇宙燈塔”。金牛座的方向，距離地球約6500光年處美麗閃耀的“螃蟹星云”是1054年發(fā)生的超新星爆炸的遺跡，藤原定家的《明月記》中也記載了這一爆炸。 星云中心存在著“安靜脈沖發(fā)生器”，自1968年被發(fā)現(xiàn)以來，幾乎在電波、可見光、x射線、伽馬射線等電磁波的所有波長進行了觀測(圖1 )。圖1蟹星云啦脈沖發(fā)生器的多波長合成示意圖(提供: NASA )蟹星云啦脈沖星的照片。 合成了x射線觀測衛(wèi)星錢德拉觀測的x射線(藍色)、哈勃太空望遠鏡觀測的可見光(紅色和黃色)、斯皮策太空望遠鏡觀測的紅外線(紫色)。 x射線中明亮的中心點源是安靜的脈沖發(fā)生器，從那里向周邊吹出了高能量的等離子體。但是，暫時還不清楚脈沖發(fā)生器的輻射機理，周期性的電波脈沖偶爾會比平時亮10~1000倍左右的“巨大電波脈沖( GRP )”也是謎之一。 根據(jù)玻-愛因斯坦的理論，要提高電波的強度就必須提高放射源的有效溫度。 如果將GRP的電波強度換算成溫度的話，有時會達到1037K以上，超過現(xiàn)代物理能夠處理的溫度的上限(普朗克溫度1032K )，所以用通常的輻射機制無法說明。在地球所在的銀河系中發(fā)現(xiàn)了2,800個左右的脈沖發(fā)生器，其中只有十幾個產(chǎn)生GRP。 迄今為止，一般認為像GRP這樣的脈沖增光現(xiàn)象只能通過電波發(fā)生。 但是2003年，通過使用高速照相機，發(fā)現(xiàn)了與GRP同步的可見光脈沖只亮百分之幾的現(xiàn)象，震驚了天文學家注1 )。 之所以這么說，是因為在其發(fā)現(xiàn)之前，人們認為脈沖發(fā)生器的電波和其他波長(可見光、x射線、伽馬射線)的輻射機制不同。 因此，人們非常關注在能量更大的x射線和伽馬射線中是否也能發(fā)現(xiàn)同樣的增光。 但是在過去的20年中，即使多個小組實施了大規(guī)模的觀測項目，也沒有確認到x射線和伽馬射線的增光。注1)希勒等:蟹狀星云巨射電脈沖期間的增強光發(fā)射。科學，301(5632):493-5。(2003)研究方法和成果探索與GRP同步的x射線和伽馬射線最困難的一點是，迄今為止的望遠鏡無法收集到足夠數(shù)量的x射線光子和伽馬射線光子。 以弄清中子星內(nèi)部高密度物質(zhì)的狀態(tài)為目的，2017年設于國際空間站的美國航空航天局( NASA )新一代x射線望遠鏡Nicer ( Nicer )以其在優(yōu)化觀測中子星的能源領域前所未有的x射線聚光能力為榮，具有高時間分辨率，圖2國際空間站搭載的x射線望遠鏡NICER的照片(提供: NASA )國際共同研究小組從2017年開始的2年左右內(nèi)，聯(lián)合x射線望遠鏡奈瑟和日本的兩個電波望遠鏡(后述)，進行了共計15次以上的x射線和電波的國際同時觀測，積累了迄今為止最大數(shù)量的x射線和電波的同時多波長數(shù)據(jù)。 分析結(jié)果表明，x射線脈沖與GRP同步增光4%左右(圖3 )。如圖3所示，脈沖發(fā)生器的脈沖波形和被檢測出的x射線增光上圖: x射線望遠鏡奈瑟觀測到的似然脈沖發(fā)生器的x射線脈沖波形(黑線)顯示了兩個周期。 用藍線表示同時觀測檢測到的巨大電波脈沖( GRP )發(fā)生的時間。 在一個周期中，脈沖有主脈沖(脈沖相位為0附近)和間歇脈沖(脈沖相位為0.4附近)兩種。下圖:上圖的主脈沖附近的放大圖。 黑線是通常時的x射線波形，紅線是GRP發(fā)生時的脈沖。 可以看出發(fā)生GRP的時候，雖然很少但是變亮了。雖然此次的x射線放大率和可見光一樣很小，但是通過使用靈敏度比過去進行的x射線和伽馬射線觀測要高的奈瑟，首次檢測成功了(圖4 )。圖4與巨大電波脈沖( GRP )同步的可見光、x射線、伽馬射線的放大率在電波頻帶中的GRP的放大率用左上的粉紅色線表示。 WHT和Hale是可見光、奈瑟、Chandra、Hitomi、Suzaku是x射線，除此之外是伽馬射線的觀測結(jié)果。 可見光和惰性的值表示實際的檢測值，除此之外表示上限值。 另外，上部四邊形中的相位表示脈沖相位。x射線中的增光雖然很小，只有4%，但x射線釋放的能量遠遠大于電波，由此可知，GRP產(chǎn)生時釋放的能量比以往想象的要大幾百倍以上。 現(xiàn)在，作為GRP的放射機理，有以脈沖發(fā)生器磁圈內(nèi)的高速等離子體的劇烈噴出等為起源的理論模型，今后需要能夠說明x射線的增光。 這次的發(fā)現(xiàn)，對于伴隨等離子體噴出·電波放射的脈沖發(fā)生器中的高能粒子生成等也提供了新的見解。另外，本研究中使用的電波望遠鏡包括宇宙航空研究開發(fā)機構( JAXA )運用的臼田宇宙空間觀測所(長野縣佐久市)的64m電波望遠鏡( 64m拋物線天線)和信息通信研究機構( NICT )運用的鹿島宇宙技術中心(茨城縣鹿島市)的鹿島34m電波 在用兩個射電望遠鏡獲取數(shù)據(jù)時，運用了JAXA和NICT共同開發(fā)的“寬帶數(shù)字信號記錄裝置”，實現(xiàn)了高精度的數(shù)據(jù)接收。 臼田64m電波望遠鏡還被用作宇宙探測器運用支援的核心，該記錄裝置也被用于小行星探測器“隼鳥2號”的軌道決定。 另外，鹿島34m射電望遠鏡一直被用作射電天文學的重要觀測裝置，但由于2019年的臺風15號遭受巨大損失，停止了運用。 因此，本研究成為鹿島34m射電望遠鏡最后留下的寶貴成果之一。圖5鹿島的34m射電望遠鏡(左，提供: NICT )和臼田的64m射電望遠鏡(提供: JAXA )圖6 X射線望遠鏡奈瑟和鹿島以及臼田的電波望遠鏡同時觀測的情況( credit :馬上，圖像無需申請就可以自由使用)今后的期待此次發(fā)現(xiàn)對于解開在宇宙遠方發(fā)生的神秘高速電波猝發(fā)( FRB )也是重要的見解。 高速射電爆是天文學歷史上久違發(fā)現(xiàn)的新物種天體現(xiàn)象，是這幾年天文學最受關注的主題之一。 由于GRP是與FRB相似的現(xiàn)象，因此一直被認為是解釋FRB的理論模型之一。 但是這次，由于明確了GRP會用x射線釋放比以往想象的能量還要巨大的能量，所以我們知道了用單純的GRP模型很難解釋FRB。另一方面，中子星的一種，宇宙中磁場最強的超強磁場中子星(磁星)的猝發(fā)活動，作為FRB的候選人越來越有實力。 在通過電波和x射線的多波長觀測調(diào)查年輕活躍的磁鐵產(chǎn)生的GRP方面，本成果將提供重要的見解。今后的期待這次的發(fā)現(xiàn)是在宇宙遠方發(fā)生的神秘高速電波突發(fā)( FR補充說明)1 .中子星比太陽還重的星星，在迎來其壽命時，會引起超新星爆炸。 一方面星星的外側(cè)部分被炸飛，另一方面其中心部分爆炸，成為中子星。 它是質(zhì)量和太陽差不多，半徑10公里左右的高密度天體，具有很強的磁場。 隨著自轉(zhuǎn)，觀測到周期性電磁波的脈沖輻射時，被稱為脈沖發(fā)生器。2 .巨大電波脈沖( GRP )周期性觀測到的電波脈沖有時會使其電波強度變亮幾位數(shù)以上的現(xiàn)象。 除了什么脈沖發(fā)生器之外，還有一些脈沖發(fā)生器檢測到的電波猝發(fā)現(xiàn)象。 雖然具有與通常的脈沖不同的觀測特征，但是還有很多不明白的地方。 GRP是Giant Radio Pulse的縮寫。3 .高速電波突發(fā)( FRB )突然，從宇宙的一個方向發(fā)出1毫秒左右的強電波的現(xiàn)象。 我們知道是從我們居住的銀河外的宇宙論距離來的。 由于電波極其明亮，不知道其起源，成為近年來天文學中的熱門研究對象。 據(jù)報道，其中一些猝發(fā)現(xiàn)象重復發(fā)生在同一天體上，有些母銀河已被鑒定。 2020年，從銀河系內(nèi)超強磁場的中子星(磁星)檢測出了類似于高速射電暴的電波輻射。 FRB是快速射頻的縮寫。4.X射線望遠鏡NICER2017年搭載于國際空間站的大面積x射線望遠鏡。 用于以精密測量中子星的質(zhì)量和半徑，觀測性地解釋超高密度中子星內(nèi)部物質(zhì)的狀態(tài)(狀態(tài)方程式)為目標的項目。 由56個x射線望遠鏡組合而成(軌道上有52個在運轉(zhuǎn))，在1.5keV附近擁有歷史最高的1，900 cm2的有效面積，具有很高的聚光能力。 NICER是Neutron Star Interior composition explorer的縮寫，讀作NICER。5 .超新星爆炸質(zhì)量大的恒星耗盡星球內(nèi)部的核聚變反應燃料，引起重力崩潰后崩潰，就會發(fā)生超新星爆炸。 超新星不僅在可見光中明亮地閃耀，還進行了多波長的觀測，直到x射線和電波，超新星SN1987A中也檢測到了超新星中微子。 超新星爆炸后，有時會留下中子星和黑洞，周圍會形成超新星殘骸。國際聯(lián)合研究小組理化學研究所榎戶極限自然現(xiàn)象理研白眉研究小組理研白眉隊隊長榎戶輝揚客座研究員胡欽平(胡欽平，胡欽評)(國立彰化師范大學助教)東京大學宇宙線研究所名譽教授寺澤敏夫準教授淺野勝晃廣島大學研究生院先進理工類科學研究科助教木坂將大航天研究開發(fā)機構航天科學研究所航天物理學研究系準教授村田泰宏信息和通信研究機構電磁波研究所電磁波標準研究中心時空標準研究室研究經(jīng)理關口衛(wèi)美國航空航天局戈達德太空飛行中心NICER隊代表凱斯·詹德魯( Keith C. Gendreau )NICER隊共同代表扎本·亞美尼亞( Zaven Arzoumanian )另外31人
國際聯(lián)合研究小組理化學研究所榎戶極限自然現(xiàn)象理研白眉研究小組理研白眉隊隊長榎戶輝揚客座研究員胡欽平(胡欽平，胡欽評)(國立彰化師范大學助教)研究支援本研究由理化學研究所的理研白眉制度、京都大學的白眉項目、日本學術振興會( JSPS )科學研究費補助金新學術領域研究“與超高時間分辨率大統(tǒng)計x射線任務NICER的國際合作進行的中子星觀測(研究代表:榎戶輝揚)”、 該基礎研究( b )“闡明中子星種族的多樣性和產(chǎn)生該物種的中子星磁圈多樣性波動性的起源(研究代表:柴田晉平)”、東北大學PPARC聯(lián)合研究“與大面積x射線望遠鏡NICER合作進行的電波-X射線的脈沖發(fā)生器同時觀測(研究代表:榎戶輝揚)”原論文信息eruaki Enoto, Toshio Terasawa, Shota Kisaka, Chin-Ping Hu, Sebastien Guillot, Natalia Lewandowska, Christian Malacaria, Paul S. Ray, Wynn C.G. Ho, Alice K. Harding, Takashi Okajima, Zaven Arzoumanian, Keith C. Gendreau, Zorawar Wadiasingh, Craig B. Markwardt, Yang Soong, Steve Kenyon, Slavko Bogdanov, Walid A. Majid, Tolga Guver, Gaurava K. Jaisawal, Rick Foster, Yasuhiro Murata, Hiroshi Takeuchi, Kazuhiro Takefuji, Mamoru Sekido, Yoshinori Yonekura, Hiroaki Misawa, Fuminori Tsuchiya, Takahiko Aoki, Munetoshi Tokumaru, Mareki Honma, Osamu Kameya, Tomoaki Oyama, Katsuaki Asano, Shinpei Shibata and Shuta J. Tanaka, "Enhanced X-ray Emission Coinciding with Giant Radio Pulses from the Crab Pulsar", Science, 10.1126/science.abd4659
発表者
理化學研究所
開拓研究本部 榎戸極限自然現(xiàn)象理研白眉研究チーム
理研白眉チームリーダー 榎戸 輝揚（えのと てるあき）
客員研究員 フー?チンピン（Hu Chin-Ping、胡 欽評）
（國立彰化師範大學 助教）
東京大學 宇宙線研究所
名譽教授 寺澤 敏夫（てらさわ としお）
準教授 淺野 勝晃（あさの かつあき）
広島大學大學院 先進理工系科學研究科 物理プログラム
助教 木坂 將大（きさか しょうた）
宇宙航空研究開発機構 宇宙科學研究所 宇宙物理學研究系
準教授 村田 泰宏（むらた やすひろ）
情報通信研究機構 電磁波研究所 電磁波標準研究センター 時空標準研究室
研究マネージャ― 関戸 衛(wèi)（せきど まもる）
アメリカ航空宇宙局 ゴダード宇宙飛行センター
NICERチーム代表
キース?ジェンドルー（Keith C. Gendreau）
NICERチーム共同代表
ザベン?アルゾメニアン（Zaven Arzoumanian）
國際聯(lián)合研究小組理化學研究所榎戶極限自然現(xiàn)象理研白眉研究小組理研白眉隊隊長榎戶輝揚客座研究員胡欽平(胡欽平，胡欽評)(國立彰化師范大學助教)東京大學宇宙線研究所名譽教授寺澤敏夫準教授淺野勝晃廣島大學研究生院先進理工類科學研究科助教木坂將大航天研究開發(fā)機構航天科學研究所航天物理學研究系準教授村田泰宏信息和通信研究機構電磁波研究所電磁波標準研究中心時空標準研究室研究經(jīng)理關口衛(wèi)美國航空航天局戈達德太空飛行中心NICER隊代表凱斯·詹德魯( Keith C. Gendreau )NICER隊共同代表扎本·亞美尼亞( Zaven Arzoumanian )另外31人
