1000年に一度起こるガンマ線バースト！しかし、それはさらなる宇宙の謎をもたらすのでしょうか?

天の川銀河から24億光年離れた円盤銀河で衝撃的な爆発が起こった。爆発により噴出した物質は、ほぼ光速で移動する極めて狭いジェットを形成した。これにより、放出されるエネルギーが特定の方向にレーザービームのように輝き、地球はたまたまその方向にあります。午後1時17分2022年10月9日（世界時）に、この閃光はガンマ線バースト（GRB）の形で地球を襲い、多数の衛星や地上のガンマ線観測所によってすぐに捉えられました。慣例により、発見の日付と種類に応じて、ガンマ線バースト (GRB) 2210009A (略称 GRB 09A) と命名されています。しかしすぐに、さらに有名な名前が天文学界中に広まりました。それは、史上最も明るいガンマ線バーストです。その明るさは前例のないものだったため、それを観測した高エネルギー宇宙望遠鏡のほとんどは露出オーバーとなり、信頼できる測定を行うことができなかった。中国科学院高能物理研究所（以下、「IHEP」という）が開発した「インサイト」および「ジム」宇宙望遠鏡は、その独自の設計により、このガンマ線バーストの正確な測定に成功した。この発見と正確な測定は、ガンマ線バーストの起源と物理的メカニズムに関する天文学者の理解を刷新し、人々が基本的な物理法則と宇宙の進化の歴史をより深く理解することを促進するだろう。

宇宙全体での激しい爆発

ガンマ線バーストの発見は伝説的な物語です。 1963年、米国、ソ連、英国は、大気圏、水中、宇宙を含むあらゆる場所での核兵器実験を禁止する部分的核実験禁止条約に署名した。米国は他国を監視するため、核爆発によって発生するガンマ線フラッシュを検知する当時最先端のガンマ線検出器を搭載したVelaシリーズの衛星を1960年代後半に打ち上げた。 1967 年 7 月 2 日、Vela シリーズ 2 および 3 衛星は、既知の核兵器の爆発とは異なるガンマ線フラッシュを検出しました。すぐに、同様のガンマ線フラッシュ現象が合計 16 件発見されました。しかし、研究チームは大まかな位置情報に基づいて、これらの閃光が人工物や太陽活動に由来する可能性を否定した。

これらの発見は、1973 年に「宇宙起源のガンマ線バーストの観測」というタイトルで学術誌「The Astrophysical Journal」に掲載されました。それ以来、人類は宇宙におけるこのような激しく神秘的な爆発の存在について広く知るようになりました。 1991年以来、米国のコンプトンガンマ線宇宙観測所は2,700以上のガンマ線バーストを発見した。これらは、天の川の狭い帯状に集中しているのではなく、空のすべての方向にほぼ均等に分布しています。そのため、天文学者たちはすぐに、ガンマ線バーストは天の川銀河の外側の深宇宙から発生したというコンセンサスに達しました。天文学者の用語では、「ガンマ線バーストは宇宙論的な起源を持つ」とされています。ガンマ線バーストは極めて遠方から発生することがわかっているため、科学者は観測された明るさに基づいて、これらのガンマ線バーストによって放出されるエネルギーは驚異的で、天の川銀河全体が1年間に放射によって放出するエネルギーよりも大きいと結論付けることができます。そのため、ガンマ線バーストは「ビッグバン以来の宇宙で最も激しい爆発」とも呼ばれています。

ガンマ線バーストが発見されて以来、科学者たちは宇宙全体でこのような激しい爆発が何によって起こるのかを推測し続けている。すぐに、さまざまな理論的推測がさまざまな学術雑誌に掲載されました。当時、天文学界では「ガンマ線バーストの理論モデルのほうがガンマ線バーストよりも多い」というジョークがありました。

ガンマ線バーストの観測データがますます正確かつ完全になるにつれ、推測のほとんどは観測のテストに耐えられなくなった。多大な努力の末、ガンマ線バーストの理論として、星の崩壊と中性子星の合体という 2 つの仮説が徐々に広く受け入れられるようになりました。天文学者は現在、これら 2 種類の宇宙大惨事は、これまで観測されてきた 2 種類のガンマ線バースト (長いガンマ線バーストと短いガンマ線バースト) に対応していると考えています。

崩壊星モデルでは、大質量星が寿命を迎えると、その中心核にある核融合燃料が枯渇すると提唱されている。恒星自身の巨大な重力が、長い間バランスを保ってきた熱圧力の支えを失い、その中心核は急速に内側に崩壊して、急速に回転するブラックホールになります。恒星の外層からの物質が新しく形成されたブラックホールに向かって落下し続けると、磁場と一般相対性理論の複合効果により、2本のプラズマビームがブラックホールの回転軸の方向に沿って光速に近い速度で放出され、それによって崩壊した恒星の重力位置エネルギーが解放されます。光速に近い速度で移動するジェットでは、放出された物質が互いに衝突したり、周囲の星間物質と衝突したりして、運動エネルギーの一部が電磁放射に変換され、地球上で観測される長時間ガンマ線バーストの一時的な放射と残光が形成されます。

中性子星合体モデルでは、中性子星は別のコンパクトな天体と連星系を形成します。連星系の軌道エネルギーが重力波放射によって減少し続けると、中性子星はコンパクトな天体の伴星にどんどん近づき、ついには衝突することになります。この合体プロセスにより、中性子星は 2 つの部分に分裂します。片方の部分はコンパクトな天体の伴星とともに高速で回転するブラックホールを形成し、もう片方の部分はブラックホールに向かって落下します。その後、崩壊した星のモデルと同様に、2 つの高速プラズマ ジェットが放出され、私たちが観測した短いガンマ線バーストが形成されます。崩壊星モデルとは異なり、重力波は中性子星の合体中に放出されるため、短いガンマ線バーストも重力波と同時に観測できるマルチメッセンジャー源であると考えられています。 2017 年の重力波イベント GW170817 がその一例です。これは、短時間ガンマ線バースト GRB 170817A と同じ時間と場所で発生したことが判明し、中性子星合体モデルの最も強力な証拠となりました。

中国は最強のガンマ線バーストを完全かつ正確に測定した

ガンマ線バースト天文学研究の最初の数十年間は、中国の検出器の名前は存在しなかった。この状況は、ガンマ線バースト検出器を搭載した神舟2号宇宙船の打ち上げに成功した2001年まで変わりませんでした。 2017年には、Insight-HXMT衛星の打ち上げにより、ガンマ線バースト天体の観測と研究における当社の能力を実証することができました。 Insight-HXMT衛星は、高能物理研究所の主導のもと開発された中国初のX線天文衛星である。搭載されている高エネルギーX線望遠鏡は、ガンマ線バーストの探索と測定に強力なツールです。打ち上げから4年後、Insight-HXMTの科学チームは、Insight-HXMT衛星が観測した322個のガンマ線バーストの最初のバッチを公開しました。我が国は2020年と2022年に、高エネルギー物理研究所がガンマ線バーストの検出専用に開発した3機の衛星「Jimu」A、B、Cを相次いで打ち上げました。現時点で、「インサイト」衛星と「Jimu」衛星は、フェルミ、スイフト、インテグラル、コーヌスなど世界の先駆的なガンマ線バースト検出衛星とともに、ガンマ線バーストを捕捉・測定するためのスカイネットを形成しています。

この大きな網が張られて間もなく、史上最強のガンマ線バーストである 09A が地球を襲いました。

ガンマ線バースト 09A は長いガンマ線バーストであるため、大質量星の崩壊によって発生したと推測されています。それが発生する銀河は地球から24億光年離れています。それは非常に遠いように聞こえますが、他のガンマ線バーストと比較すると、まだ非常に近いのです。また、このガンマ線バーストのジェット角度は非常に小さいため、他のガンマ線バーストに比べて、地球の方向にエネルギーをより集中的に放射することができます。これら 2 つのユニークな特徴により、GRB 09A はこれまで観測された中で最も明るいガンマ線バーストとなり、その明るさは一般的な明るいガンマ線バーストの数千倍にもなります。

このような予想外の明るさは、世界の主流のガンマ線バースト検出器にとっても大きな問題を引き起こし、カメラの露出オーバーと同様の問題を引き起こしている。これらの問題のある検出器は、完全で信頼性の高い検出データを提供できないため、ガンマ線バースト 09A の明るさを正確に答えることができません。

GRB 09A の最も明るい段階では、Insight-HXMT 衛星と Extreme Eyes C 衛星はそれを観測できる軌道位置と稼働状態にありました。特に偶然なのは、当時、「ジム」C 星が地球の高緯度地域上空を飛行していたことです。その領域における荷電粒子の強い干渉のため、研究者らは「ジム」C星用に低感度動作モードという特別な動作モードを設計した。これは、非常に明るい屋外に出かける前にサングラスをかける人のようなものです。

この特別な動作モードと、特に明るい源を検出するための「Jimu」の設計が組み合わさったからこそ、「Jimu」Cと「Hitomi」は共同でガンマ線バースト09Aの最も完全で正確な測定結果を提供したのです。

解明すべき宇宙の謎はまだまだある

天文学者たちは、これまでに観測されたガンマ線バーストの統計に基づいて、09A ほど明るいガンマ線バーストは数千年、あるいは一万年に一度しか検出されないと結論付けています。人類がガンマ線バーストを観測できるようになってから半世紀も経って、このようなガンマ線バーストが発見されたこと自体が驚きである。一部の天文学者は、09A は他のガンマ線バーストとは異なる未知の爆発メカニズムを持つ可能性があると推測しています。

しかし、私たちの分析によると、観測されたエネルギー差の原因は、その極めて小さなジェット角度であることがわかっています。 Insight-HXMTチームとExtreme Eyesチームが発表した論文では、GRB 09Aの残光の時間曲線を測定することで、GRBジェットの開口角度は1度未満であると推測されました。このため、GRB 09A のエネルギーは一方向に非常に集中しており、観測者から見た明るさは無指向性の放射の場合よりも約 10,000 倍高くなります。これは、09A がなぜそのようなユニークな等方性エネルギーを持つのかを説明しています。ジェット角度補正を考慮すると、GRB 09A によって放出される実際のエネルギーは、一般的な長い GRB のエネルギーと同様になります。

しかし、これでは「なぜ GRB 09A は特別に見えるのか？」という謎に完全に答えられるわけではありません。その代わりに、一連の新たな謎が生まれました。

どのような物理的メカニズムによって、ガンマ線バーストのエネルギーがこのように集束され、方向付けられた形で放出されるのでしょうか?ガンマ線バースト観測の短い歴史の中で、近隣の宇宙からこのような平行で方向性のある放射エネルギーが地球に向けられる確率はどれくらいでしょうか?さらに、GRB 09A の明るさを考えると、現在よりもはるかに遠い距離に位置していたとしても、人間の検出器によって検出される可能性があります。そこで疑問になるのが、なぜ地球から「わずか」24億光年離れた近くのガンマ線バーストである09Aが、もっと遠い場所で発生した他の同様のガンマ線バーストではなく、最初に検出されたのか、ということだ。ご存知のように、より遠い宇宙ほど空間が広く、崩壊している巨大な星の数は近くの宇宙よりもはるかに多いため、09Aのようなガンマ線バーストを検出する機会が増えるはずです。

科学者はパズルを恐れません。むしろ、彼らは彼らを愛しているのです。なぜなら、すべてのパズルは潜在的な新たな発見につながるからです。ガンマ線バーストからの放射線は、光速に近い速度で移動するジェット内の複雑な放射線伝達プロセスから発生し、回転するブラックホールの近くでプラズマが加速され、複雑な磁場の力学によって平行化されます。したがって、各ガンマ線バーストのエネルギースペクトルと光​​曲線には、粒子物理学、衝撃波物理学、相対性理論、ブラックホール物理学、および磁気流体力学のコードが含まれています。同時に、長いガンマ線バーストの起源は死にゆく大質量星であり、短いガンマ線バーストの起源は中性子星/コンパクト星の連星であると現在一般的に考えられているため、前者は宇宙における大質量星の生成史と分布を示す指標であり、後者は中性子星/コンパクト星の合体史を示す指標であると考えられます。科学者たちは現在、宇宙に存在する亜鉛よりも原子番号が大きい重元素は、この2つの宇宙の大惨事から生まれたと考えています。したがって、ガンマ線バーストの発生率と赤方偏移分布には、私たちの世界を構成する元素の起源の謎に対する答えも含まれています。

ガンマ線バーストは、宇宙で最も極端な環境で発生します。そこでは、最も極端に曲がった時空、最も密度の高い物質、最も強い電磁場、最も高い温度、そして最も速い移動速度があります。ガンマ線光子は、宇宙で最も深遠な法則のコードを運びます。 50年以上前、人類は広大で永遠の宇宙に目を向けるようになりました。 50年以上経って、中国の『徽淵』と『景母』がこの「最も明るい一撃」を正確に描写し、かつて世界天文学史上まばゆいばかりの星であったガンマ線バーストが、マルチメッセンジャー天文学の時代に再び輝くことになった。現在、中国の高エネルギー天体望遠鏡は高エネルギー天体物理現象の観測においてますます重要な役割を果たしており、中国の天文学者も人類の宇宙理解にさらなる貢献をすることだろう。