第23章恒星の死The Death of Stars

By applying a combination of theory and observation, astronomers eventually concluded that pulsars must be spinning neutron stars. According to this model, a neutron star is something like a lighthouse on a rocky coast (Figure 23.15). To warn ships in all directions and yet not cost too much to operate, the light in a modern lighthouse turns, sweeping its beam across the dark sea. From the vantage point of a ship, you see a pulse of light each time the beam points in your direction. In the same way, radiation from a small region on a neutron star sweeps across the oceans of space, giving us a pulse of radiation each time the beam points toward Earth.

天文学者は理論と観測を組み合わせ、ついに、パルサーは回転する中性子星に違いないと結論した。このモデルでは、中性子星は岩の多い海岸に立つ灯台に似ている（図23.15）。現代の灯台は、あらゆる方向の船に警告しながら、運用費をかけすぎないよう、光源を回転させ、暗い海の上に光の束を巡らせる。船から見ると、光の束がこちらを向くたびに、光のパルスが見える。同じように、中性子星の小さな領域から出る放射が、宇宙の大海原を掃くように巡り、ビームが地球を向くたびに、私たちに放射のパルスを届けるのである。

Neutron stars are ideal candidates for such a job because the collapse has made them so small that they can turn very rapidly. Recall the principle of the conservation of angular momentum from Newton’s Great Synthesis: if an object gets smaller, it can spin more rapidly. Even if the parent star was rotating very slowly when it was on the main sequence, its rotation had to speed up as it collapsed to form a neutron star. With a diameter of only 10 to 20 kilometers, a neutron star can complete one full spin in only a fraction of a second. This is just the sort of time period we observe between pulsar pulses.

中性子星は、崩壊で極めて小さくなり、非常に速く回転できるため、この役割にうってつけの候補である。「ニュートンの偉大な統合」で学んだ角運動量保存則を思い出そう。物体が小さくなると、より速く回転できる。もとの星が主系列で非常にゆっくり回っていたとしても、崩壊して中性子星になるときには、回転が速まらなければならない。直径がわずか10～20キロメートルの中性子星は、1秒にも満たない時間で1回転できる。これはまさに、パルサーのパルスとパルスの間に観測されるような時間間隔である。

Any magnetic field that existed in the original star will be highly compressed when the core collapses to a neutron star. At the surface of the neutron star, in the outer layer consisting of ordinary matter (and not just pure neutrons), protons and electrons are caught up in this spinning field and accelerated nearly to the speed of light. In only two places—the north and south magnetic poles—can the trapped particles escape the strong hold of the magnetic field (Figure 23.16). The same effect can be seen (in reverse) on Earth, where charged particles from space are kept out by our planet’s magnetic field everywhere except near the poles. As a result, Earth’s auroras (caused when charged particles hit the atmosphere at high speed) are seen mainly near the poles.

もとの星に存在した磁場は、中心核が中性子星へ崩壊すると、非常に強く圧縮される。中性子星の表面には、中性子だけではなく普通の物質からなる外層がある。そこで陽子と電子は、回転する磁場に巻き込まれ、光速近くまで加速される。閉じ込められた粒子が磁場の強い束縛から逃れられるのは、磁気の北極と南極という、たった二つの場所だけである（図23.16）。同じ効果は、逆向きに、地球でも見られる。宇宙から来る荷電粒子は、両極近くを除いて、地球の磁場によって締め出される。そのため、荷電粒子が高速で大気にぶつかることで生じるオーロラは、主に両極の近くで見られる。

Note that in a neutron star, the magnetic north and south poles do not have to be anywhere close to the north and south poles defined by the star’s rotation. In the same way, we discussed in the chapter on The Giant Planets that the magnetic poles on the planets Uranus and Neptune are not lined up with the poles of the planet’s spin. Figure 23.16 shows the poles of the magnetic field perpendicular to the poles of rotation, but the two kinds of poles could make any angle.

中性子星では、磁気の北極と南極が、自転によって定まる北極と南極の近くにある必要はない。同じように、天王星と海王星では、磁極が自転の極と揃っていないことを「巨大惑星」の章で述べた。図23.16では磁場の極を結ぶ向きと回転軸が直角になっているが、二つの軸のなす角度は、どの値でもよい。

In fact, the misalignment of the rotational axis with the magnetic axis plays a crucial role in the generation of the observed pulses in this model. At the two magnetic poles, the particles from the neutron star are focused into a narrow beam and come streaming out of the whirling magnetic region at enormous speeds. They emit energy over a broad range of the electromagnetic spectrum. The radiation itself is also confined to a narrow beam, which explains why the pulsar acts like a lighthouse. As the rotation carries first one and then the other magnetic pole of the star into our view, we see a pulse of radiation each time.

実際、このモデルで観測されるパルスを作るうえでは、回転軸と磁軸が揃っていないことが決定的な役割を果たす。二つの磁極では、中性子星から来る粒子が細いビームに集められ、回転する磁場の領域から途方もない速さで流れ出す。そして、電磁スペクトルの広い範囲でエネルギーを放つ。放射自体も細いビームに限られるため、パルサーは灯台のように振る舞う。回転によって、星の一方の磁極、次にもう一方の磁極がこちらを向くたびに、放射のパルスが見える。

This explanation of pulsars in terms of beams of radiation from highly magnetic and rapidly spinning neutron stars is a very clever idea. But what evidence do we have that it is the correct model? First, we can measure the masses of some pulsars, and most turn out to be in the range of 1.4 to 1.8 times that of the Sun, and there are a few masses slightly over 2 solar masses. These masses are consistent with what theorists predict for neutron stars.

強い磁場を持ち、高速で回転する中性子星からの放射ビームでパルサーを説明するのは、非常に巧みな考えである。しかし、それが正しいモデルだという証拠は何だろうか。まず、いくつかのパルサーの質量を測定でき、その大半は太陽の1.4～1.8倍、少数は2太陽質量を少し超えることがわかった。これらの質量は、中性子星についての理論的な予測と一致する。

But there is an even-better confirming argument, which brings us back to the Crab Nebula and its vast energy output. When the high-energy charged particles from the neutron star pulsar hit the slower-moving material from the supernova, they energize this material and cause it to “glow” at many different wavelengths—just what we observe from the Crab Nebula. The pulsar beams are a power source that “light up” the nebula long after the initial explosion of the star that made it.

しかし、さらに有力な裏付けがある。そこで、かに星雲とその巨大なエネルギー出力の話に戻ろう。中性子星パルサーからの高エネルギーの荷電粒子が、超新星から出た、もっとゆっくり動く物質にぶつかると、その物質へエネルギーを与え、多くの波長で『輝かせる』。かに星雲で観測している、まさにその現象である。パルサーのビームは、星雲を作った星の最初の爆発から長い時間がたっても、星雲を『照らす』エネルギー源となる。

Who “pays the bills” for all the energy we see coming out of a remnant like the Crab Nebula? After all, when energy emerges from one place, it must be depleted in another. The ultimate energy source in our model is the rotation of the neutron star, which propels charged particles outward and spins its magnetic field at enormous speeds. As its rotational energy is used to excite the Crab Nebula year after year, the pulsar inside the nebula slows down. As it slows, the pulses come a little less often; more time elapses before the slower neutron star brings its beam back around.

かに星雲のような残骸から出てくる、あれほどのエネルギーの『支払い』は、誰がしているのだろうか。結局のところ、ある場所からエネルギーが出るなら、別の場所では減っているはずだ。このモデルでの究極のエネルギー源は、中性子星の回転である。回転が荷電粒子を外へ押し出し、磁場を途方もない速さで回す。回転エネルギーを使って、何年にもわたりかに星雲を励起するにつれ、内部のパルサーの回転は遅くなる。するとパルスの頻度も少し減る。遅くなった中性子星が、ビームを一周させてこちらへ戻すまでに、より長い時間がかかるからである。

Several decades of careful observations have now shown that the Crab Nebula pulsar is not a perfectly regular clock as we originally thought: instead, it is gradually slowing down. Having measured how much the pulsar is slowing down, we can calculate how much rotation energy the neutron star is losing. Remember that it is very densely packed and spins amazingly quickly. Even a tiny slowing down can mean an immense loss of energy.

今では、数十年にわたる注意深い観測によって、かに星雲のパルサーは、最初に考えたような完全に正確な時計ではなく、少しずつ遅くなっているとわかっている。どれほど遅くなるかを測れば、中性子星がどれだけ回転エネルギーを失っているかを計算できる。極めて密に詰まり、驚くほど速く回転していることを思い出そう。ほんのわずかな減速でも、膨大なエネルギーの喪失を意味し得る。

To the satisfaction of astronomers, the rotational energy lost by the pulsar turns out to be the same as the amount of energy emerging from the nebula surrounding it. In other words, the slowing down of a rotating neutron star can explain precisely why the Crab Nebula is glowing with the amount of energy we observe.

天文学者を満足させることに、パルサーが失う回転エネルギーは、周囲の星雲から出るエネルギーと等しいとわかった。言い換えると、回転する中性子星の減速によって、かに星雲が観測どおりのエネルギーで輝く理由を、正確に説明できるのである。