千年に一度！これまでで最も明るいガンマ線バースト、「インサイト」と「ジミン」望遠鏡はどのようにして共同でそれを捉えたのでしょうか?

3月29日午前2時、中国、米国、欧州、日本などの国と地域の科学者らが一斉に「1000年に一度」かつ「史上最も明るい」ガンマ線バースト（GRB 221009A）の研究結果を伝える大ニュースを発表した。

執筆：李鵬特派員、写真・文責：陳勇傑

ニューメディア編集者/呂冰鑫

インタビュー専門家:

張双南（中国科学院高エネルギー物理研究所研究員）

ガンマ線バーストはどのように発生するのでしょうか?なぜ、太陽が100億年の間に放出するエネルギーの総量よりも大きい、これほど膨大な量のエネルギーを、わずか数分、あるいは数秒で放出できるのでしょうか?世界中の科学者たちは現在、これらの疑問に対する答えを見つけようと奮闘しています。

2022年10月、24億光年離れた宇宙の深淵から超閃光爆発が地球上空に広がった。今回、中国の科学者と国際科学界の同僚らがそれを捉え、中国の宇宙望遠鏡による共同観測が大きな貢献を果たした。

北京時間3月29日午前2時、中国科学院高能物理研究所（以下、CAS IHEP）と世界40以上の科学研究機関が共同で、これまでで最も明るいガンマ線バースト（GRB）GRB 221009Aに関する研究成果を発表した。我が国が独自に開発した「Insight-HXMT」衛星と「Gecam-C」宇宙望遠鏡による複数の検出が記録を更新しました。

▲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）の想像図。 （写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

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中国は千年に一度のこの天体に独自の貢献をしている

2022年10月9日21時17分（北京時間）、中国の高高度宇宙線観測衛星（LHAASO、Lasso）、Insight-HXMT、GECAM-Cが、これまでで最も明るいガンマ線バースト（GRB 221009A）を同時に検出しました。我が国が地上と地球との間で複数の手段によるガンマ線バーストの共同観測を実現したのは今回が初めてです。

GRB 221009Aの記録破りの爆発は、世界のほぼすべての主流の天文観測・研究機関の注目を集め、関連するデータ処理と研究も集中的な発展期に入りました。中国科学院高能物理研究所が共同開発したInsight-HXMT衛星とGECAM-C宇宙望遠鏡は、独自の設計と特殊な動作モードにより、硬X線と軟ガンマエネルギー帯におけるガンマ線バーストの過渡放射と初期残光の世界最高精度の測定に成功した。

研究チームは、超高輝度宇宙望遠鏡の精密な観測データを基に、今回のガンマ線バーストがこれまでに観測された中で最も明るいことを発見し、ガンマ線バーストの明るさの記録を50倍に引き上げた。このガンマ線バーストは地球から非常に遠く離れているため、人類が検出したのは、それが放出するガンマ線全体のほんの一滴に過ぎません。通常、ガンマ線バーストが私たちの視線の向こうの方向にどれだけのエネルギーを放射するかはわかりません。ガンマ線バーストがほぼ同量のガンマ線を全方向に放射すると仮定すると、検出されたガンマ線とガンマ線バースト間の距離に基づいて、ガンマ線バーストによって全方向に放射されたすべてのガンマ線の総エネルギー、つまり等方性エネルギーを計算できます。研究チームは、このガンマ線バーストの等方性エネルギーも記録を破り、1分間に太陽質量8個分のエネルギーを放出するのと同等であることを発見した。また、この観測により、極めて狭く、極めて明るいジェットが光速に近い速度で運動していることも明らかになり、この千年に一度の天体爆発の研究に独自の貢献を果たした。

この研究は中国科学院素粒子天体物理学重点実験室が率いる国際協力チームによって完了したと報告されている。チームのメンバーは中国、米国、イタリア、フランス、ドイツなどの国の30以上の研究機関から集まった。関連する結果論文はプレプリント プラットフォーム上でオンラインで公開されています。中国科学院高能物理研究所素粒子天体物理学センター副所長で宇宙望遠鏡「集木」主任科学者の熊少林研究員、中国科学院高能物理研究所素粒子天体物理学センター所長で衛星「ひとみ」主任科学者の張双南研究員、ネバダ大学ラスベガス校の張兵教授が論文の共同責任著者であり、国際協力チームからは他に175名の著者が参加している。

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ガンマ線バーストとは何ですか?今回はなぜ特別なのでしょうか?

ガンマ線バースト（GRB）は、ガンマ線バーストとも呼ばれ、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で突然増加し、その後急速に弱まる現象です。これはビッグバン以来最も激しい爆発現象であり、宇宙で最も強力な出来事として知られています。

ガンマ線バーストは、通常、寿命の最終段階で激しく爆発する恒星によって生成されます。このような爆発はガンマ線、X線、可視光線を含む膨大な量のエネルギーを放出することになる。ガンマ線バーストの一種はロングバーストと呼ばれ、通常は 2 秒以上続きますが、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。 2 秒未満で持続するタイプのショートバーストもあります。長い GRB は、超新星爆発によって形成された非常に重い恒星の核崩壊爆発によって生成されると一般的に考えられています。一方、短い GRB は、2 つの非常に高密度の天体 (中性子星、ブラックホールなど) の合体爆発によって生成され、重力波も放出されます。どちらのタイプの天体爆発も、ブラックホールや中性子星などの極めて高密度の天体を生み出します。これらの天体は極めて強い重力によって周囲の物質を飲み込み、ほぼ光速でその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。その中で、衝撃波やジェット内部の磁気再結合などのプロセスにより荷電粒子が加速され、過渡放射と呼ばれるガンマ線放射が発生します。ジェットと周囲の星間物質との相互作用によって生成される放射線は残光と呼ばれます。

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。 2022年10月9日、中国科学院高能物理研究所が主導する宇宙・地上観測装置を含む世界中の多数の天文施設が、これまでで最も明るいガンマ線バーストであるGRB 221009Aを観測し、それが地球から24億光年離れた天の川銀河外の深宇宙で発生したことを発見した。人類がうまく捉えたこのガンマ線バーストは、極めて明るく、距離も比較的近いことから、まさに千年に一度の歴史的出来事と言えるでしょう。

中国科学院高能物理研究所の研究員である張双南氏は、宇宙にはガンマ線バーストが数多く存在し、より高輝度のガンマ線バーストも確かに存在するが、そのジェットが正確に地球を向いて検出される可能性は極めて低いと説明した。ジェットが正確に地球に向けられたときのみ、人間はこれらの放射線を検出する機会を得る。したがって、この研究によってこれまでで最も明るいガンマ線バーストを正確に検出することは、数千年、あるいは数万年経ってもなかなか実現できないことである。

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中国の強力な武器チームが捕獲に成功

この歴史的な観察において、中国の科学研究ツールは独特の役割を果たしました。中国科学院高エネルギー物理研究所の主導のもとに建設された高高度宇宙線観測所（LHAASO）と、インサイト-HXMT衛星および超長距離望遠鏡による宇宙と地上の共同観測は極めて重要です。

Insight-HXMT 衛星と超高輝度宇宙望遠鏡は、ガンマ線バーストとその重力波の電磁波を検出するために特別に建造されました。 GRB 221009A の観測では、これら 2 つの観測ツールを効果的に組み合わせて、硬 X 線および軟ガンマ線エネルギー帯における前駆放射から主バースト、フレア、初期残光までの各主要段階におけるガンマ線バーストの放射特性を非常に正確に特徴付けました。

その中で、「Jimu」宇宙望遠鏡は、極めて高いガンマ線フラックス強度を記録できる特殊な観測モードにあり、極端な明るさによって容易に引き起こされるさまざまな機器効果（データ飽和損失、信号蓄積、過剰なデッドタイムなど）を回避し、ガンマ線バーストの極めて明るいメインバーストを完全かつ正確に検出することに成功しました。 Insight-HXMT衛星に搭載された高エネルギーX線望遠鏡は、メガ電子ボルトエネルギー領域で最大の有効面積を持つガンマ線バーストの検出に成功し、その前駆放射線と初期残光に関する高品質のデータを取得しました。

▲インサイトHXMT衛星とエクストリームアイズ宇宙望遠鏡がこれまでに観測した最も明るいガンマ線バーストの模式図（写真提供：中国科学院高能物理研究所）

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「Hui Yan」と「Jimu」はなぜそんなにすごいのでしょうか？

Insight-HXMT衛星と超高輝度宇宙望遠鏡はともに高エネルギー物理学研究所によって提案され開発されたと理解されています。 Insight と Extreme Eyes が GRB 221009A ガンマ線バーストの検出に大きく貢献したという事実は、これら 2 つのプロジェクトの独自の機能と大きく関係しています。

Insight-HXMT衛星は我が国初の宇宙X線天文望遠鏡です。このプロジェクトは1993年に中国科学院院士の李帯北氏と呉梅氏らによって提案され、2011年に承認された。Insight-HXMT衛星は2017年6月15日の打ち上げ以来、5年以上にわたって軌道上で安定的に運用されており、ブラックホール、中性子星、高速電波バーストの分野で一連の重要な成果を達成している。 2017年、Insight-HXMT衛星はその可能性を示し始めました。その年の8月17日、米国のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）は、2つの中性子星の合体によって生成された重力波信号を初めて捉えました。事件発生当時、爆発現場の監視に成功したX線・ガンマ線望遠鏡は世界でわずか4台で、インサイトはその1台だった。 「スマートアイ」は当初の設計寿命はわずか4年でしたが、状態が良かったため稼働時間が延長されました。予想外にも、2年間の延期運行を経て、「匯岩」は再びその威力を発揮した。

わが国の「Jimu」宇宙望遠鏡は、中国科学院の「宇宙科学」（第2段階）戦略的優先研究計画によって支援されている、日和見的な宇宙科学プロジェクトです。このプロジェクトは2016年に中国科学院高エネルギー物理研究所によって提案され、2018年に承認されました。「Jimu」宇宙望遠鏡プロジェクトは2020年に初めて開始されました。重力波やガンマ線バーストなどの高エネルギー天体爆発を直接観測することに加えて、この宇宙望遠鏡のもう1つの主要な任務は、さまざまな種類の高エネルギー天体爆発に「警戒する」ことです。 「Jimu」は爆発天体を発見すると、直ちに関連情報を地上に送信し、地上や他の宇宙天文観測機器を誘導して速やかに追跡観測を実施します。

この発見に参加したのは、中国科学院マイクロ衛星イノベーション研究所が共同開発した宇宙新技術実験衛星（SATech-01）に搭載され、2022年7月27日に軌道上に打ち上げられた「Jimu」シリーズの3番目のペイロード（コード名GECAM-C）です。 「Jimu」シリーズの衛星は、一連の革新的な検出技術を採用し、北斗ナビゲーションシステムのショートメッセージサービスの使用を先駆けて行い、衛星と地上間の準リアルタイム通信を実現しました。ガンマ線バースト、マグネターバースト、高速電波バーストの高エネルギー版、太陽フレア、地上ガンマ線フラッシュなど、多数の高エネルギーバースト現象が発見されています。

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ガンマ線バースト研究のさらなる成果に期待

GRB 221009Aガンマ線バーストに対する「ひとみ」と「集明」の共同観測結果から、ガンマ線バーストの残光が早い段階で緩やかな減衰から急速な減衰に変わったことが推測され、ガンマ線を発生させるジェットが非常に狭いことが分かります。これは人類が発見した最も狭いガンマ線バーストジェットの一つです。研究チームは、この極めて狭いジェットがガンマ線バーストが非常に明るく見える理由の一つである可能性があると考えている。したがって、「ひとみ」と「じむ」による観測と研究は、この極端な宇宙爆発現象を深く理解するための新たな視点を提供します。

イタリアのフェラーラ大学のフィリッポ・フロンテラ教授は、この現象に関する数多くの観測の中でも、記録破りのGRB221009ガンマ線バーストの結果は非常に挑戦的でユニークなものだと語った。これらの極めて高品質なデータは、「インサイト」および「エクストリーム ビジョン」望遠鏡の独創的な設計から生まれました。検出ミッション中に得られたデータのユニークな組み合わせにより、ガンマ線バーストエンジンが非常に狭く、平行なジェットを放出できるという具体的な証拠も得られ、これらの新生コンパクト星の誕生と活動を研究するための新たな手がかりが得られた。

中国科学院院士、清華大学教授、中国科学院高能物理研究所研究員の李致北氏は、この史上最強のガンマ線バーストには未だ不明な点が多いと語った。このガンマ線バーストの観測において、中国の天地連携科学設備は、多くの独特で貴重かつ高品質のデータを獲得した。しかし、中国の科学者はこれらのデータを研究に最大限活用するとともに、観測結果を理論的な研究に高めていく必要がある。彼らはガンマ線バーストの理論的研究において大きな成果と新たな進歩を達成することを期待しています。

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア