No.240
2001.3

中性子星の磁場

宇宙科学研究所　　堂 谷 忠 靖　

　中性子星は，超新星爆発で誕生する。太陽の８倍からおおよそ30倍程度の質量の星が一生の最後に超新星爆発を起こすと，あとに中性子星が形成されると考えられている。もとの星の中心核が角運動量や磁束を保存しつつ収縮すると仮定すると，生まれたての中性子星は，(その表面で)１億テスラという超強磁場を持ち，毎秒数百回という高速で自転することになる。ちなみに，地球磁場は２万分の１テスラ，実験室で定常的に作れる磁場は最大100テスラ程である。中性子星の磁場を磁束の保存で説明するのは正しくないと思われるものの，磁場強度として概ね正しい値を与える。

　中性子星は，1967年に電波パルサーとして発見された。電波パルサーの輻射機構については，今もって議論が続いているが，もとは中性子星の回転エネルギーである。磁場を持ち高速回転する中性子星は，基本的には単極発電機と考えることができ，誘導電場で加速された電子(と陽電子)が雪崩式に増殖し，磁場に沿って加速度運動をする時に電磁波が放射されるようである。したがって，電波パルサーの回転はだんだん遅くなっており，その減速の割合から磁場の強さが推定できる。それによると，多くの電波パルサーは，１億テスラ程の磁場を持つ。また，自転の減速の割合から大まかな年齢を推定することができる。それによると，おおよそ百万年から一千万年ほどで，天文学的に言えば，電波パルサーは若い(死んで間もない)天体ということになる。電波パルサーの自転周期がだんだん伸びて10秒近くになると，電子の雪崩増殖がうまく起こらなくなり，電磁波が放射できなくなってしまう。電波パルサーの死である。

　ところで，星の多くは連星系をなしている。近接連星系では，一方が超新星爆発を起こしても，系が壊れずに連星のまま残ることがある。この中性子星に相手の星からガスが落ち込むと，中性子星に落下する過程で膨大な重力エネルギー(静止質量エネルギーの１割)を解放し，一千万度を超える高温になってX線を放射するようになる。X線連星の誕生である。X線観測が本格的に始まった1970年代には，すでにX線連星には２種類あることがわかっていた。ひとつは，X線でパルスを放射しているX線パルサーである。やはり１億テスラ程の強い磁場を持ち，磁極に集中した降着物質からのX線放射が自転に伴い見え隠れする事で，パルサーとなっている。同じパルサーでありながら，電波パルサーとは輻射機構が全く異なるので注意。単独なら電波パルサーになるところが，たまたま連星に生まれて，相手からガスが落っこちてきたため，X線パルサーになっていると考えられる。もうひとつは，非常に古い系である低質量X線連星である。X線パルスが見られないことから，磁場は弱いと考えられているが，ちゃんと測られたことはない。十万から百万テスラ程度だろうと，推測されている。なぜ磁場が弱いのかは，はっきりとはわかっていない。

　このように，単独で生まれた中性子星と，連星系で生まれた中性子星で，きちんと棲み分けがなされていたのが，1980年代頃から新しい展開が見られるようになってきた。きっかけはミリ秒パルサーの発見である。

　宇宙で最も早いパルサーは，長らくカニ星雲中のパルサー(カニパルサー；周期33ミリ秒)であったが， 1982年にミリ秒パルサーPSR B1937+21(周期1.56ミリ秒)が電波観測により発見された。PSR B1937+21の自転は減衰率が大変小さく，磁場の強さは約４万テスラ，年齢はざっと２億年になる事が直ちにわかった。その後，ミリ秒パルサーが次々と発見され，その多くは連星をなしている事が明らかになった。早い自転は若い中性子星の特徴だが，弱い磁場や大きな年齢などと矛盾する。一方，連星系中の古い中性子星というのは，低質量X線連星に他ならない。これらの観測事実を統一的に説明するのが「再生シナリオ」である。

図１：連星系からX線連星ができ，ミリ秒パルサーへ進化する過程の模式図。

　この再生シナリオは，いろいろな観測事実をうまく説明するものの，低質量X線連星中の中性子星が高速自転している直接的証拠はなかなか見つからなかった。ところが，1996年にいて座に出現したX線新星から，周期2.5ミリ秒のX線パルスが検出された。低質量X線連星中の中性子星が確かに高速自転していることが直接確かめられたのである。このX線新星は，ミリ秒パルサーになる一歩手前のX線連星と言えるだろう。

　ところで，これまでに知られているX線パルサーは100近くになるが，その中にいくつかの変り種がいることが以前から知られていた。これがどうも新種らしいということで，1990年代の中頃から「異常なX線パルサー」と呼ばれるようになってきた。その特徴をあげると，
（１）パルス周期が５〜12秒に集中，
（２）パルス周期が大きな割合で安定に増加，
（３）伴星の兆候が見られない，
（４）銀河面に位置する，
（５）もっぱら軟X線を放射，
（６）超新星残骸に付随，
などとなる。質量降着に特徴的な自転周期の揺らぎや伴星の兆候が見られないことから，質量降着がエネルギー源だとは考えにくい。一方，パルス周期増加率から自転エネルギーの減少率を求めると，X線光度を説明するには二桁ほど足りない。では，一体何がエネルギー源になっているのだろうか？ 自転が遅いにもかかわらず，パルス周期増加率(つまり，ブレーキのかかり方)が大きいことから，単純に磁場の強さを計算すると，百億から千億テスラという途方もない強さになる。一方，超新星爆発に際し，収縮するコア中で強い対流が発生すると，磁場が増幅され超強磁場の中性子星(マグネター；磁石星)ができる可能性が少し前から指摘されていた。そこで，「異常なX線パルサー」=マグネター，という図式が提唱され，たちまち研究者の間に蔓延するようになった。マグネターでは，磁場が強いだけに全磁気エネルギーも膨大になる。簡単に見積もってみると，この磁気エネルギーが(何らかの方法で)少しずつ輻射に転化すれば，マグネターの寿命(１〜10万年程度)の間位はX線光度を維持できそうである。中性子星の磁場の起源と進化については，現在も議論が続いているが，単純には中性子星内部を流れる超伝導電流によって磁場が維持されていると考えられる。この超伝導電流が何らかの理由で散逸してX線放射に転化するのではないかと考えられるが，詳細は不明である。

　これまで出てきた中性子星を，スピン周期と磁場で分類すると図２のようになる。ところで，これ以外の種類の中性子星は存在しないのであろうか？ 超新星残骸の寿命はわずか数万年なので，その近傍を探せば若い中性子星が網羅的に調べられそうである。これまでに発見されている超新星残骸は約220で，電波パルサーは1100を超えている。ところが，超新星残骸にパルサーが付随している例は，(偶然のものを除くと) 20に満たないようである。中性子星を作らない超新星爆発は，(我々の銀河系では)少ないことを考えると，この数は驚くほど少ない。では，中性子星は一体どこへ行ってしまったのか？

図２：様々な中性子星の，スピン周期と磁場強度による分類。

　この，パルサー不在問題は，ずいぶん以前から指摘されていたが，だんだん明らかになってきたのは，「誕生間のないパルサーの典型はカニパルサー」ではないのではないか，ということである。最近このような例がX線観測で見つかるようになってきた。電波をほとんど放射しない若い中性子星である。典型は，カシオペアAという超新星残骸(年齢約340年)の中心付近に発見された中性子星(らしき天体)である。パルスは検出されていない。まだ暖かい中性子星表面(数百万度？)からの熱的放射が見えているのではないかと考えられている。ところで，最も若い超新星(残骸)といえば，SN1987Aがある。ニュートリノの観測から中性子星が生まれたと考えられているが，カニパルサーのようなパルサーが存在していないのは明白である。では，どのような中性子星が生まれたのだろか？ 最近，可視光で2.1ミリ秒のパルスが検出されたという報告がなされたものの，多くの人は半信半疑である。今後の観測が期待される。

　このように，中性子星をめぐる研究は，急速な進展を見せている。いちいち述べなかったものの，電波パルサーやマグネター，軟ガンマ線リピータの観測では，「あすか」の寄与も大きい。Astro-E II衛星によってさらにどんな発見がなされるか，今から楽しみである。