宇宙で最も明るい「花火」を私たちはどうやって「見る」のでしょうか?

2022年10月9日、宇宙で非常に衝撃的で美しい「花火」の爆発がありました。

科学者たちは、この「宇宙の花火」に「史上最も明るい」という意味の「BOAT」という名前を付けた。

これはこれまでに発見された最も明るいガンマ線バースト、GRB 221009A です。

これまでに発見された最も明るいガンマ線バースト（GRB 221009A）の画像。中国科学院高エネルギー物理研究所提供。

この明るさのガンマ線バーストは極めて稀で、発生する確率は 1 万年に 1 回程度です。 （保守的な研究者の中には、少なくとも1000年に一度は起こると主張する人もいる。）

しかし、発生確率の低いこの壮大な「宇宙花火」を、我が国の科学研究者らが「目撃」したのです。

彼らはどのように「見る」のでしょうか?

ガンマ線バーストは、極めて過酷な物理的環境で発生します。

ガンマ線バーストとはいったい何でしょうか?

ガンマ線バースト（略称GRB）とは、上空の特定の方向から放射されるガンマ線の強度が短時間のうちに急激に増加し、その後弱まる現象を指します。
ガンマ線バーストはビッグバン以来最も激しい天体爆発です。 1秒間に放出されるエネルギーは、太陽が約50億年かけて放出するエネルギーの総量に相当します。数秒間に放射されるエネルギーは、太陽が100億年かけて放射するエネルギーの総量に相当します。そのため、これは宇宙で最も強力な出来事と呼ばれています。

ガンマ線バーストには 2 つの種類があります。1 つは 2 秒未満で持続する短時間バーストで、通常は星がほとんど形成されていない領域から発生します。もう 1 つはロングバーストと呼ばれ、2 秒以上続き、数十秒から数分間、あるいはそれ以上続くものもあります。今回発見されたガンマ線バーストもこの範疇に属する。

科学者は一般的に、長時間バーストは非常に質量の大きい恒星の核崩壊爆発によって発生し、中性子星やブラックホールの形成に関連していると考えています。このため、GRB 221009A は新生ブラックホールを形成したのではないかと多くの人が推測しています。

1967 年に最初のガンマ線バーストが発見されて以来、約 10,000 個のガンマ線バーストが検出されています。半世紀にわたる研究を経て、ガンマ線バーストは、極めて高い磁場、極めて強い重力、極めて速い速度など、極めて極端な物理的環境で生成されることがわかってきました。そのため、ガンマ線バーストは、天体物理学や基礎物理学でも好まれる極限物理学の実験室となっています。

科学者たちはまだ天の川銀河でガンマ線バーストを観測していない。これらの強力な光線は遠い宇宙の奥深くからやって来ます。それらは実際どのように見えるのでしょうか?人類はまだほとんど何も知らない。科学者たちはガンマ線バーストを利用して、宇宙の進化の歴史、重元素の起源、相対性理論の正しさなどの主要な問題を研究したいと考えている。しかし、そうする前に、ガンマ線バースト自体の物理的起源について深く理解する必要があります。これが、天体物理学や宇宙論の多くの研究者がガンマ線バーストに注目している重要な理由です。

2022年10月9日に観測されたガンマ線バーストは、科学界にとって前例のない出来事だった。同日北京時間21時16分59秒59秒、NASAのフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡が初めて異常に明るいガンマ線バーストを検出し、国際慣例に従ってGRB221009Aと名付けられた。その後、世界中の多くの天文施設がGRB 221009Aを検出しました。

GRB 221009A としてカタログ化されたガンマ線バーストは、やぎ座の方向の空で発生しました。画像提供：International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/B.O'Connor (UMD/GWU) & J. Rastinejad & W Fong (Northwestern Univ)

数多くの天文施設において、中国の科学研究チームは国際的に最も高い精度で測定を行ってきました。

天と地が協力して花火を見る

仕事をうまくやり遂げたいなら、まず道具を研がなければなりません。多くの科学分野において、研究機器の敷居が高くなるにつれて、この言葉はますます真実になりつつあり、特に最先端の宇宙探査の分野ではそれが顕著です。

長い間、観測・研究設備の遅れにより、我が国がこの分野で達成した最先端の科学技術の成果のレベルは先進国に大きく遅れをとっており、実施された研究の一部は主要な科学研究成果のフォローアップ研究に過ぎません（そのような研究成果の価値と意義はほとんどの場合大幅に低下しています）。

しかし、中国がますます多くの主要な科学技術インフラを構築するにつれて、この状況は変化しつつあります。

この最も明るいガンマ線バーストの検出には、中国科学院高エネルギー物理研究所の主導で建造された「LASO」、高エネルギーバースト探査衛星（HEBS）およびInsight-HXMT衛星も参加した。彼らはこのガンマ線バーストを同時に検出し、11桁の広いエネルギー範囲にわたる協調的な地上観測を達成しました。

彼らは協力して、主バーストからフレア、初期残光まで、ガンマ線バーストのそれぞれの重要な段階における放射線特性の国際最高精度測定を実施しました。

私の国での研究により、このガンマ線バーストの明るさは、これまで人類が観測した最も明るいガンマ線バーストの 50 倍であることが判明しました。 （外国の電波データによると、GRB 221009A はこれまで観測されたどのガンマ線バーストよりも 70 倍明るいそうです。）

中国の衛星によって発見された最も明るいガンマ線バーストの模式図。写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

Insight-HXMT衛星はガンマ線バースト（GRB 221009A）を観測しました。ガンマ線バーストの発生前後、Insight-HXMT衛星は天空の領域をスキャンしていました。緑の点線は望遠鏡の走査軌道を表しています。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

我が国の高高度宇宙線観測所（LHAASO）が重要な役割を果たしました。これにより、研究者らは20分以上かけて6万個以上のガンマ光子を収集し、人類がこれまで達成したことのない偉業として、初めて1兆電子ボルトのガンマ線バーストの全過程を完全に記録した。中国の科学者が率いる研究チームはこれを活用して天体物理学研究の最前線に到達したと言える。

「選択条件を最小限にすれば、光子の数は10万個に達する可能性がある！」論文の責任著者の一人であり、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究者であるチャ・ミン氏はこう語った。同じエネルギー範囲の他の実験装置、さらにはガンマ線バーストを追跡するために特別に設計された装置と比較しても、彼らが測定した光子の数はわずか1000未満であり、爆発後60秒以上経過した残光のみを測定しました（残光が何であるかについては以下で説明します）。

「Laso」の検出結果がとても良いのは偶然でしょうか？

「Laso」はなぜすごいのか？今回はなぜリードできたのでしょうか？これは多くの人がすぐに尋ねる質問です。

さて、この質問に慎重に答えてみましょう。

「LASO」は宇宙線の観測と研究を中核とする国家規模の科学技術基盤です。四川省稲城県海子山に位置し、平均標高は4,410メートルです。中国の科学者らが独自に設計し、2017年に建設が始まり、2021年7月に全面稼働した。

これは大規模な宇宙線検出アレイであり、5,216台の電磁粒子検出器と1,188台のミューオン検出器で構成される1平方キロメートルの地上粒子シャワー検出器アレイ（KM2A）、3,120台の検出ユニットで構成される78,000平方メートルの水チェレンコフ検出器アレイ（WCDA）、および18台の望遠鏡で構成され、約1.36平方キロメートルの面積をカバーする広角チェレンコフ望遠鏡アレイです。

「LASO」は現在、世界で最も高く、最大で、最も感度の高いガンマ線検出装置です。その使命は、宇宙から地球に押し寄せる宇宙線を捕らえ、科学者が宇宙の奥深くにある未知の世界を発見し、宇宙線の起源の謎を解くことです。

なぜ「ケーブル」の建設にこのような高高度が選ばれたのでしょうか?高エネルギーの宇宙線やガンマ線は大気圏に入ると吸収されやすく、また高高度では空気が薄いため、観測所を建設することで宇宙線やガンマ線を検出しやすくなります。さらに、ここでの検出は天候や気候条件にまったく影響されず、24時間連続検出が可能です。

「ケーブル」の航空写真（中国科学院高エネルギー物理研究所提供）

また、GRB 221009A の残光の最良の検出結果が「Lasso」によって捉えられたのはなぜかと疑問に思う人も多いでしょう。これはあまりにも偶然ではないでしょうか?

これは偶然ではありません。ラソが、自らの玄関口に届けられたこの科学研究の饗宴を逃さなかったという事実は、ラソ自体の強力な観測能力にも大きく関係している。

GRB 221009A が発生したとき、過剰な光子束により複数の国際実験の検出器が飽和状態になりました。そのため、地球上の他の多くの宇宙ベースおよび地上ベースの観測機器もGRB 221009Aを観測しましたが、「Lasso」と同様の観測効果は得られませんでした。一部の低高度の観測所では、大気の影響により観測がさらに困難になります。 「ラソ」は高高度に位置し、新たに建設された宇宙線観測装置です。世界中の同様のデバイスと比較して、強力な検出機能を備えています。

「ラゾ」はその巨大なサイズにより、宇宙線を検出する際の「視野」も極めて広い。 「LaCe」プロジェクトの主任科学者であり、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究者である曹振氏は、「目を開けると、空の6分の1を見ることができる」と語る。宇宙の奥深くからの情報が「Lasso」によって捕捉される可能性は、それほど低くはない。従来のガンマ線望遠鏡は一度に 1 つの点または 1 つの星しか観測できないため、当然ながら大当たりする確率ははるかに低くなります。

「ケーブル」は優れた感度を持っているため、視野内に入る光子が 1 つでも捕捉できます。これまで人類はガンマ線バーストを検知できるほどの高感度地上設備を持っておらず、海外の同じエネルギー範囲の観測装置もガンマ線バーストの全過程を完全に記録できていない。これも今回「Lasso」が実現した高品質な検出結果の特徴です。

この論文で発表された観測結果は主に水チェレンコフ検出器アレイによって提供されたと報告されています。この検出器は36万トンの純水を媒体として使い、水底に設置されたさまざまなサイズの6,240個の感光プローブを通して、ガンマ線や宇宙線の大気中における運動や作用によって生じる二次生成物（低エネルギーのガンマ光子、陽電子、電子など）を測定し、水中でチェレンコフ光信号を発生させる。

このアレイのガンマ線観測エネルギー範囲は 2 桁に及び、1,000 億電子ボルトから 10 兆電子ボルトまでの範囲で精密測定が可能です。また、広い視野と全天候型の特性を備えており、ガンマ線バーストなどの突発的な天体現象の観測にも優れた効果を発揮します。

ガンマ線が大気圏に入ると、粒子の「シャワー」のように、多数の二次粒子が生成されます。 「LASO」の水チェレンコフ検出器アレイは、一年中稼働して雨を捕らえることができる「雨収集」装置のようなものだ。

「Laso」はガンマ線バーストGRB 221009Aを標準偏差の250倍を超える高い有意水準で観測しました。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

Lasso は GRB 221009A を最初に発見したわけではありませんが、最高のハードウェアを備え、最高の観測結果を達成しました。数百秒間続いたこのガンマ線バーストを発生当初から正確に記録し、完全かつ正確な観測データを取得しました。ヨーロッパのガンマ線バースト観測所の所長は曹振に「神は偏りすぎだ！」と冗談を言ったほどだ。

ガンマ線バーストが高高度宇宙線観測所に到達した瞬間のシミュレーション画像。写真提供：中国科学技術大学の梁燕氏のチーム。

「レーザー」が史上最も明るい星、GRB 221009Aの謎を解明

GRB 221009A は、これまでに検出されたガンマ線バーストの中で最もユニークなものです。これまで発見された典型的なガンマ線バーストと比較すると、地球から約24億光年離れており、他のガンマ線バーストよりはるかに近い。宇宙規模で見れば、地球からそれほど遠い距離ではありません。しかし、その明るさは非常に高く、これまでの観測記録を完全に破りました。

この衛星が「最も明るい」のは、地球からの距離が比較的近いことに大きく関係していると思われます。しかし、中国の科学者たちは、この背後には他の理由があることを発見した。

GRB 221009A が発生すると、非常に強い重力によって周囲の物質を飲み込み、ほぼ光速で極から物質を放出し、反対方向に一対のジェットを形成します。ジェット機がたまたま地球に向けられた場合にのみ、人類はこの放射線を検出できる可能性がある。

研究を通じて、科学者たちは「ラソ」が観測したガンマ光子は巨大な星の主な爆発の余波から来たものだと信じている。ガンマ線バースト現象の主な爆発、つまりジェット内部の衝撃波または磁場の消滅（磁気再結合）により、荷電粒子が加速され、過渡放射線とも呼ばれるガンマ線放射線が発生します。初期段階では大爆発となり、強力な低エネルギーガンマ線放射として現れます。その後すぐに、最初の爆発によって形成されたジェットが光速に近い速度で膨張し、周囲の星間物質と衝突して、残光とも呼ばれる次の爆発が発生します。

ラッソは初めて、GRB 221009A イベントの全過程を正確に観測し、TeV エネルギー領域におけるガンマ線バーストの最も初期の残光に関する非常に重要かつ画期的な観測を行いました。 GRB 221009Aの残光放射過程の急速な増加と急速な減少を発見し、1兆電子ボルトのガンマ線フラックスの増加と減少の全段階を記録しました。

その中で、流量減衰段階では明らかな変曲点があり、流量が急激に減少します。この爆発の噴出物は、異常に狭い噴出角度を持つジェット状の構造であると推測できます。爆発により放出された針状のビームのようです。放射角がジェットの端まで広がると、明るさは急激に低下します。

計算によれば、ジェット角度はわずか 0.8 度であり、これは現在までに知られているジェット角度の中で最も小さいものです。スプリンクラーと同じように、水流が細いほど遠くまで流れ、まっすぐな水流は地球に向かって流れます。

GRB 221009A の爆発時の「Laso」の視野内における位置。写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

前回の流量増加段階では、「Lasso」でも初めて極めて急速な増加の現象が観測されました。最初の2秒未満で、流れは100倍以上増加し、これは以前の理論モデルの予想を上回りました。

今回の「ラソ」の観測結果でも、爆発後10分も経たないうちに高エネルギー放射線の明るさが急激に減少したことが示されています。この明るさの変化は非常に早い段階で発生したため、「Laso」は実際には、内部が明るく外部が暗い典型的なジェットの最も明るい中心部分を観測したことになります。

「観測者がたまたまジェットの最も明るい中心核を向いていたからこそ、このガンマ線バーストが史上最も明るいものであることが自然に説明され、また、このような現象が極めて稀である理由も説明される」と、中国科学技術大学の教授で論文の責任著者の一人である戴子高氏は述べた。

北京師範大学天文学部の教授であるガオ・ヘ氏は、「ラッソは初めて、TeV エネルギーのガンマ線バーストの完全な光曲線とエネルギースペクトルを提供しました。この観測により、ガンマ線バーストの放射メカニズムとジェット構造に関する理解が大幅に深まりました」とコメントしました。

論文の責任著者の一人で、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究員である姚志国氏は、今回発表された観測結果は、ガンマ線バーストのエネルギー注入、光子吸収、粒子加速のメカニズムについて科学界で深い議論を引き起こすだろうと述べた。

さらに、このガンマ線バースト現象の10分間に、ラッソが記録した光子の数も、過去数年間の「標準光源」であるかに星雲の観測の累計を上回りました。

ガンマ線バーストの構成、画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

天文学者たちは、新たに発見されたGRB 221009Aが新たなブラックホールの誕生を表している可能性があると考えている。ブラックホールが形成されると、強力な粒子のジェットが噴射されます。これらの粒子ジェットはほぼ光速まで加速され、その後、原始星の残骸を通過し、宇宙に流れ込む際にX線とガンマ線を放出します。これらのジェットが大体地球に向けられている場合、X線とガンマ線の明るい閃光として検出される可能性があります。

科学探査の観点から見ると、ラッソによる今回の観測は、大質量星の死の瞬間に発生するガンマ線バーストによる高エネルギー放射線の全過程を人類が正確に測定する初めての機会となる。曹振氏は、人類が巨大な星の死の瞬間に発生する1兆電子ボルトのガンマ線バーストの全過程を完全に記録したのは今回が初めてであり、ガンマ線バーストの放射メカニズムやジェット構造に対する人類の理解を大きく深めることになるだろうと述べた。

今年5月10日、8年間の予備調査と4年間の建設を経て、「ケーブル」は国家検定を通過し、正式に運用を開始しました。 「Lasso」は正式に運用開始される前に、このような大きな観測上の躍進を達成し、「Lasso」の優れた性能を十分に実証しました。

受入委員会は、「Lasso」の完成と運用により、同施設は世界三大素粒子天体物理学実験施設の一つとなり、この分野における独創的な大きな進歩を促進し、最先端の学際分野の発展と国際協力を推進する上で大きな意義を持つと確信している。

過去 110 年間で宇宙線を研究する最大の実験装置の一つである Lasso は、ガンマ天文学の研究を、これまで人類が観測したことのない新しい帯域へと導いた。実際、「Lazo」は完成する前にすでに1PeV（ペタ電子ボルト、Pは1015）を超える超高エネルギー宇宙粒子を発見していました。今後10年ほどで、国内外の他の宇宙・地球探査機器と連携し、科学者が宇宙線の起源の謎を解明するのを支援します。

ガンマ線バーストについてはまだ解明されていない秘密がある

GRB 221009Aの爆発は研究の宝庫でもあり、この現象については世界中の研究者を頭を悩ませる多くの疑問がまだ残っています。

科学者たちは、これまで数万回に及ぶガンマ線バーストの観測に基づいて、一見完璧な理論モデルを確立し、それを固く信じています。 GRB 221009A により、科学者たちは、これまで確立されていたガンマ線バーストの理論モデルがまだ不完全であることを認識しました。

外国人研究者の中には、GRB 221009Aのジェットが長期間にわたってスムーズかつかなりゆっくりと進化し、時間の経過とともに徐々に消滅していくことを電波データが示していたことに驚いた人もいた。これは、急激なエネルギーの急上昇を示す既存のモデルとは矛盾しており、説明できないものだった。

GRB 221009A イベントの後にジェットがなぜこんなに狭くなったのでしょうか?信頼できる説明はなかった。 「25年間研究されてきた残光モデルでは、このジェット現象を完全には説明できない」とアリゾナ大学ツーソン校の天文学者ケイト・アレクサンダー氏は言う。

本当に新たなブラックホールが誕生するのか？

GRB 221009A の出来事の後、科学者たちはそれが超新星を形成するかもしれないと考えましたが、今のところこの超新星の痕跡は見つかっておらず、天文学者たちは今も捜索を続けています。天文学者は、ガンマ線バーストと超新星の生成メカニズムを完全に探究するために、さらに多くのガンマ線バーストと超新星関連システムを必要としています。

一部の研究者は、中性子星の合体（ありそうもない可能性）が排除されれば、新たに形成されたブラックホールが爆発によって生じた破片を直接飲み込み、超新星が内部で消滅するというシナリオが最も可能性が高いと考えているが、このような推測を裏付けるには、さらに信頼できる証拠が必要である。

天文学者たちは、GRB 221009A の検出は人類にとって幸運なことだと述べている。このガンマ線バーストの最も壮観な部分は、わずか数百秒しか続かなかった。数十億年単位の宇宙にとって、これは極めて短い瞬間です。それは宇宙で最も美しい「花火」です。私たちの肉眼ではその存在を見ることはできませんが、たまたま人類の最も鮮明な「カメラ」によって捉えられました。この研究によって宇宙のさらなる秘密が明らかになることを願っています。

参考文献:

https://svs.gsfc.nasa.gov/14227

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-swift-fermi-missions-detect-Exceptional-cosmic-blast

http://www.ihep.cas.cn/xwdt2022/cmsm/2023/202303/t20230330_6720319.html

http://www.hnskxy.com/info/1006/4364.htm

http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202306/t20230609_6775760.html

http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202210/t20221018_6533180.html

著者: 李鵬

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