Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

太陽の保護された泡の外側、星々の間の静寂の奥深くで、一対の宇宙探査機が数十年にわたり、かすかな、しかし持続的なハム音を聞き続けている。これらはボイジャー探査機であり、人類が作った物体として初めて、星と星の間を満たすガスと塵の広大な海である、真の星間物質へと進入したものである。1980年代半ば以降、そしてヘリオポーズ（太陽圏境界）を越えた後も継続して、それらの計器は、約3,000サイクル毎秒の周波数で振動するプラズマ振動――電荷を帯びたガスのさざ波――を検出してきた。40年もの間、科学者たちはこの宇宙のノイズの発生源を特定しようと試みてきた。一部の理論では、太陽の嵐が太陽系の端に衝突することによってこれらのさざ波が生じていると示唆されたが、太陽活動が衰えた後も長く続く信号に対して、我々の太陽が原因であることへの疑念は高まっている。問いは残されたままである。一体何が、この深い暗闇の中で、これほど安定した低周波の波を生み出しているのだろうか。

新しい研究は、大胆な答えを提示しており、その源は私たちの太陽系にあるのではなく、死にゆく星々の激しい生涯にあることを示唆している。研究者のプレストン・ジョーンズ、プラガティ・プラダン、ダグラス・シングルトンは、中性子星から放出される重力波が、ボイジャーが聞き取っている電磁放射を生み出す可能性があるという理論的なメカニズムを探求している。中性子星とは、爆発した大質量星の、信じられないほど高密度で崩壊した核のことである。これらの星の中には、1秒間に数百回も回転するものがあり、回転する際、それらは時空の織り目に「重力波」と呼ばれるさざ波を送ることができる。論文は、これらの重力波が宇宙を伝わる際、真空そのものと相互作用して電磁放射を生み出す可能性があると示唆しており、著者らはこのプロセスを「共生成（co-production）」と呼んでいる。

このつながりの論理は、周波数に関わる特定の連鎖的な事象に基づいている。最も急速に回転する中性子星は、およそ毎秒700回回転する。もしそのような星が重力波を放出する場合、理論によれば、その波は回転速度の2倍、つまり毎秒約1,400回の周波数で振動する。共生成理論によれば、これらの重力波はさらに、自身の周波数の2倍の電磁波を生成するという。これにより、最終的な信号は約3,000回毎秒の周波数で振動することになり、これはボイジャーが検出したプラズマ振動の正確な周波数と一致する。この数学的な整合性は、なぜ信号がこの特定のピッチであるのかについて説得力のある説明を提供しており、これは従来の太陽ベースの理論が説明に苦慮していた詳細である。

しかし、著者らは、これは理論的な計算に基づく示唆であり、確認された発見ではないことに注意を払っている。彼らは、中性子星がボイジャーに聞こえるほど強い信号を生み出すためには、理論的限界である約150パーセク（約490光年）以内に位置し、かつ極めてエネルギーが高い必要があると計算している。論文では、超新星の残骸として知られるカシオペア座AやベラJr.が、このような強力な重力波を生み出す可能性の高い候補として挙げられているが、ベラ・パルサー自体は、推定されるこの限界距離の約2倍離れているため、ボイジャーの特定の観測に対するソースとしては可能性が低いことも記されている。研究者たちはまた、信号がどのようにして長年持続し得るのかについても考察している。彼らは、中性子星のイベントによる初期のエネルギーの噴出は短期的であるかもしれないが、その結果生じる星間プラズマのさざ波は、鐘を叩いた後に長く響き続ける様子のように、星々の間の空間の独特な特性によって維持される可能性があると提案している。

この研究はまた、ボイジャーが観測してきたより広い文脈についても考察している。探査機は、既知の中性子星の回転における「グリッチ（突然の加速）」の頻度とおおよそ一致する割合で、高エネルギー粒子である宇宙線を検出している。この相関関係は、中性子星がボイジャーが目撃している活動の源であるという考えに重みを与えている。もしプラズマ振動が、重力波が電磁波に変換された結果であるならば、それはボイジャー探査機が、現在の地球上の観測所では捉えることのできない種類の重力波の検出器として機能していることを意味する。既存の検出器はより低い周波数に調整されており、これらのような高速で高音の信号を見逃してしまうのである。

著者らは、この理論の最強の証明は、1,500サイクル毎秒の重力波信号と、3,000サイクル毎秒のプラズマ振動の同時検出であると強調している。彼らは、ボイジャーが宇宙線イベントとプラズマ振動を記録した2017年の夏季のデータを検証したが、その際、重力波信号は報告されなかったと指摘している。しかし、論文は、この検出の欠如は、特定の探索窓における決定的な否定的な結果というよりも、現在の高周波感度の限界を超えていることに起因するものであると明確にしている。論文は、エビデンスはまだ決定的ではないものの、共生成理論は、数十年にわたって漂っていた謎に対して、物理的に一貫した妥当な説明を提供するものであると結論づけている。それは、ボイジャーが聞いているハム音が、死にゆく星の回転の残響であり、物理法則によって銀河を旅することができる「音」へと変えられたものであることを示唆している。