驚きのキロノバは長いガンマ線バーストの確立された理解を覆す

ほぼ 20 年間、天体物理学者は長いガンマ線バースト (GRB) が大質量星の崩壊のみに起因すると信じてきました。 現在、新たな研究により、長年にわたって確立され、長く受け入れられてきた信念が覆されています。

ノースウェスタン大学が率いる天体物理学者のチームは、少なくとも一部の長い GRB が、以前は短い GRB しか生成しないと考えられていた中性子星の合体に起因する可能性があるという新しい証拠を発見しました。

2021 年 12 月に 50 秒間の GRB を検出した後、チームは長い GRB の残光を探し始めました。これは、超新星に先行することが多い信じられないほど明るく、急速に減衰する光のバーストです。 しかし、代わりに、彼らはキロノバの証拠を発見しました。これは、中性子星が別のコンパクトなオブジェクト (別の中性子星またはブラック ホール) と合体した後にのみ発生するまれなイベントです。

今回の発見は、GRB がどのくらいの期間形成されるかについて長年にわたって確立されてきた信念に挑戦するだけでなく、宇宙で最も重い元素の不思議な形成に関する新たな洞察にもつながります。

この研究は本日(12 月 7 日)、Nature 誌に掲載されました。

「このイベントは、長いガンマ線バーストからこれまでに見られたものとは異なります」と、研究を率いたノースウェスタン大学のジリアン・ラスティネジャード氏は述べています。 そのガンマ線は、大質量星の崩壊によって生じるバーストのガンマ線に似ています。 私たちが観察した他の確認された中性子星の合体はすべて、2 秒未満のバーストを伴っていたことを考えると、この 50 秒の GRB が大質量星の崩壊によって作成されたと予想する十分な理由がありました。 このイベントは、ガンマ線バースト天文学の刺激的なパラダイム シフトを表しています。」

「この長いガンマ線バーストを追跡したとき、大規模な星の崩壊の証拠につながると予想しました」と、この研究の上級著者である Northwestern の Wen-fai Fong 氏は述べています。 代わりに、私たちが見つけたものは非常に異なっていました。 15 年前にこの分野に足を踏み入れたとき、長いガンマ線バーストは大規模な星の崩壊から発生することが確定していました。 この予想外の発見は、私たちの理解に大きな変化をもたらすだけでなく、エキサイティングなことに発見への新しい窓を開きます。」

Fong は、ノースウェスタン大学の Weinberg College of Arts and Sciences の物理学および天文学の助教授であり、天体物理学の学際的探査および研究センター (CIERA) の主要メンバーです。 Rastinejad 博士天文学の学生であり、Fong の研究グループのメンバーであり、この論文の筆頭著者です。

ロングディビジョン

ビッグバン以来最も明るく、最もエネルギッシュな爆発である GRB は、2 つのクラスに分けられます。 継続時間が 2 秒未満の GRB は、短い GRB と見なされます。 GRB が 2 秒より長い場合、長い GRB と見なされます。 研究者は以前、境界線の両側にある GRB は異なる起源を持っているに違いないと考えていました。

2021 年 12 月、ニール ゲーレル スウィフト天文台のバースト アラート望遠鏡とフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、GRB211211A という名前のガンマ線光の明るいバーストを発見しました。 GRB211211A は 50 秒強の長さで、最初は特別なものには見えませんでした。 しかし、約 11 億光年離れた場所にあり、信じられないかもしれませんが、地球に比較的近い場所にあります。天体物理学者は、電磁スペクトル全体を観測できる多数の望遠鏡を使用して、この「近くの」イベントを詳細に研究することにしました。

「そこは曇っていましたが、望遠鏡のオペレーターはこのバーストがいかに重要であるかを知っていたので、雲の隙間を見つけて画像を撮影しました。」 — Jillian Rastinejad 博士天文学の候補者

近赤外波長でイベントを画像化するために、チームはすぐにハワイのジェミニ天文台で画像化を開始しました。 ふたご座で 2 日間観察した後、ラスティネジャードははっきりとした視界が得られないのではないかと心配しました。

「ハワイでは天候が悪化しており、今回のバーストがこれまでに見たことのないものであるという兆候を発見し始めていたため、非常に失望しています」と彼女は言いました. 「幸いなことに、ノースウェスタン大学はアリゾナ州の MMT 天文台へのリモート アクセスを提供してくれ、翌日にはその望遠鏡に理想的な機器が取り付けられていました。 そこは曇っていましたが、望遠鏡のオペレーターはこのバーストがいかに重要であるかを知っており、雲の隙間を見つけて画像を撮影しました。 これらの画像をリアルタイムで取得するのはストレスがたまりましたが、とてもエキサイティングでした。」

「キロノバの兆候」

近赤外線画像を調べた後、チームはすぐに消えてしまう信じられないほどかすかな物体を見つけました。 超新星はそれほど速く消えず、はるかに明るいため、以前は不可能と考えられていた予想外のことが発見されたことにチームは気付きました。

「私たちの夜空には、すぐに消えてしまう天体がたくさんあります」と Fong 氏は言います。 「さまざまなフィルターでソースを画像化して色情報を取得することで、ソースの身元を特定することができます。 この場合、赤い色が優勢で、青い色はより早く退色しました。 この色の変化はキロノバの特徴であり、キロノバは中性子星の合体によってのみ発生します。」

50秒

GRB211211Aの期間

中性子星はクリーンでコンパクトな天体であるため、研究者は以前、中性子星には長時間の GRB に電力を供給するのに十分な物質が含まれていないと考えていました。 一方、大質量星は、太陽の数十倍から数百倍の質量になることがあります。 瀕死の星が崩壊すると、その物質が内側に落ちて、新しく形成されたブラック ホールに栄養を与えます。 しかし、ブラック ホールの磁場のおかげで、内側に落下する物質の一部が光速に近い速度で外側に飛び出し、GRB に動力を供給します。

「2 つの中性子星を一緒にすると、質量はほとんどありません」と Fong 氏は説明します。 少量の質量が降着し、非常に短い期間のバーストを発生させます。 伝統的により長いガンマ線バーストに力を与える大規模な星の崩壊の場合、より長い供給時間があります。」

検索の変更

この研究の奇妙な部分は、この出来事だけではありませんでした。 GRB のホスト銀河も非常に興味深いものです。 SDSS J140910.47+275320.8 と名付けられたホスト銀河は、若くて星を形成しており、中性子星の合体イベントの既知の他の唯一のローカル宇宙ホストである GW170817 のホスト銀河 NGC4993 とほぼ正反対です。 ホスト銀河を分析するために、チームは、ノースウェスタン大学が特別なリモート アクセス権を持つ WM ケック天文台からのデータを使用しました。

「GW170817 が検出され、巨大な赤死のホスト銀河との関連性が発見された後、多くの天文学者は、近宇宙での中性子星合体のホストが NGC4993 に似ていると推測しました」とノースウェスタン大学の Ph.D である Anya Nugent は述べています。 . . 天文学の学生であり、共著者を研究しています。 「しかし、この銀河はかなり若く、活発に星形成を行っており、実際にはそれほど大きくありません。 実際、宇宙の奥深くで見られる短い GRB ホストに似ています。 近くのキロノバを探す際に観察すべき銀河の種類に対する私たちの見方が変わると思います。」

ガンマ線バースト 211211A。その位置を赤丸で囲んでいます。 クレジット: NASA、ESA、Rastinejad 他 (2022)、Gladys Kober (カトリック大学アメリカ)

また、天体物理学者がプラチナや金などの重元素の探索にアプローチする方法も変わります。 研究者は、ヘリウム、シリコン、炭素などのより軽い元素を生成する天文工場を研究することができましたが、天体物理学者は、超新星爆発と中性子星の合体が最も重い元素を生成すると仮定しています。 ただし、彼らの作成の明確な署名はめったに観察されません。

「キロノバエは、宇宙で最も重い元素のいくつかの放射性崩壊によって動力を与えられています」とラスティネジャドは言いました。 しかし、キロノバは観察するのが非常に難しく、急速に消えていきます。 今では、より多くのキロノバを探すために、いくつかの長いガンマ線バーストを使用することもできることがわかっています。」

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が稼働するようになった今、天体物理学者はキロノバ内でより多くの手がかりを探すことができるようになります。 JWSTは天体の画像やスペクトルを捉えることができるため、天体から放出される特定の元素を検出することができます。 ウェッブを使用して、天体物理学者は最終的に重元素の形成の直接的な観測証拠を得るかもしれません。

「残念ながら、最高の地上望遠鏡でさえ、分光法を実行するのに十分な感度がありません」と Rastinejad 氏は述べています。 「JWST があれば、キロノバのスペクトルを取得できたはずです。 これらのスペクトル線は、最も重い元素を検出したという直接的な証拠を提供します。」

この研究「350 Mpc での長時間のガンマ線バーストに続くキロノバ」は、国立科学財団 (助成金番号 AST-1814782、AST-1909358、AST-2047919)、David and Lucile Packard Foundation によって支援されました。欧州研究評議会と NASA。

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *