「標準光源」に火を灯すことは、Ia 型超新星研究における新たな進歩を意味します。

制作：中国科学普及協会

著者: 趙 衛涛 (中国科学院雲南省天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「標準光源」として知られるIa型超新星は、宇宙の膨張率の研究や暗黒エネルギー場の検証に重要な役割を果たしている。

超軟X線源。Ia型超新星の起源である可能性が最も高い。それを研究することは私たちの関連研究に大いに役立つでしょう。しかし、その準周期的な光曲線の起源は不明のままです。

中国科学院雲南天文台の研究者らが最近、超軟X線源の研究において新たな進歩を遂げたことは喜ばしいことである。

宇宙を支配する謎の「ダークエネルギー」

近年、ダークエネルギーの研究は世界中の科学者から注目を集めています。 「暗黒物質」と「暗黒エネルギー」は将来の科学の中心的な研究方向になるかもしれません。

暗黒エネルギーは、暗黒物質よりもさらに神秘的で理解しがたいこの神秘的な宇宙エネルギーであり、宇宙の加速膨張を引き起こす重要な要因である可能性があります。

（写真提供：Veer Gallery）

さらに衝撃的なのは、世界中の科学者が、この目に見えず触れることのできない暗黒エネルギーが宇宙で支配的な位置を占めていると一般的に信じていることです。 2020年末に天体物理学ジャーナルに掲載された研究によると、宇宙は暗黒エネルギーとその他のさまざまな物質で構成されており、そのうち暗黒エネルギーが69％、さまざまな物質が31％を占めているという。さらに、暗黒物質はこれらの物質の80％を占めています。人間がよく知っている他の星、銀河、塵、ガスなどの従来の物質は、わずか20％を占めるだけです。

つまり、宇宙の約70％は、人類がまだ何も知らない謎の領域なのです。

ダークエネルギーは今のところ直接観測できないため、科学者は間接的な手段を通じてしかその存在を推測することができません。

では、ダークエネルギーの存在はどのようにして確認されたのでしょうか?ダークエネルギーについてさらに詳しく知りたい場合は、 「宇宙の膨張」、「宇宙定数」、「Ia 型超新星」というキーワードを知っておく必要があります。

宇宙定数とアインシュタインの「最大の過ち」

宇宙は永遠で不変なのでしょうか？古代から現在に至るまで、物理学、数学、天文学、さらには哲学の分野でもこのテーマに関するさまざまな見解が存在してきました。ニュートンとアインシュタインでさえ、宇宙の「永遠」についての理解を説明するために、それぞれ独自の宇宙観を持っていました。

(画像出典: pixabay)

アインシュタインはかつて「有限で境界のない静的宇宙」モデルを提唱しました。彼は、ある一定の宇宙規模（たとえば 1 億光年）では、宇宙は時間とともに変化しないと信じていました。この理論では、彼はこの見解を支持するために、一般相対性理論の重力場方程式に「宇宙定数 Λ」を導入しました。 「宇宙定数 Λ」は、空間自体が物質の重力を大規模に相殺する固有のエネルギーを持ち、それによって宇宙が静止していることを保証すると仮定しています。

しかし、約10年後、この見解は「反証」されました。アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルは、観測を通じて、銀河スペクトルの赤方偏移と距離の間の直線関係（ハッブルの法則として一般に知られている）に基づき、アインシュタインが提唱した静的宇宙モデルが実際の状況に一致せず、宇宙が膨張していることを正式に確認しました。アインシュタインが宇宙定数Λを「生涯最大の過ち」と呼んだという噂さえある。

実際、「宇宙定数 Λ」が導入される前の重力場方程式は、不安定な宇宙が膨張したり収縮したりする可能性があることを予測することができました。

「宇宙定数Λ」導入前と導入後のアインシュタインの重力場方程式

ニュートンの万有引力の法則によれば、ビッグバンによって生じた衝撃は、重力の影響と拘束を受けて、安定した平衡に達するまで宇宙の膨張を徐々に減速させるはずです。しかし、2011年にノーベル物理学賞受賞者たちは、宇宙の膨張が加速していることを発見しました。

科学者たちは、一連の観察と計算の結果、宇宙には重力の方向と反対の力（反重力力）が存在するはずであり、それが人類によってまだ発見されていないことを示しました。

物理学界では、重力の方向とは逆の方向にあり、人類にはまだ知られていないこの謎の力を「ダークエネルギー」と呼んでおり、宇宙の急速な膨張と銀河や天体の急速な移動を引き起こしているのはこの「ダークエネルギー」であると考えています。この頃から、ダークエネルギーと宇宙の膨張との因果関係が人々の注目とともに徐々に明らかになってきました。

ダークエネルギーを解明するために、「宇宙定数」が復活した？

暗黒エネルギーの発見により、重力に対抗するアインシュタインの宇宙定数が再び議論の的となっている。宇宙定数、つまり暗黒エネルギーは存在するので、宇宙の重力に対抗するだけでなく、宇宙の膨張率にも影響を与えます。当時、アインシュタインは本当に間違っていたのでしょうか？

答えはイエスです。暗黒エネルギーは宇宙の膨張の主な原因ですが、アインシュタインは当時、宇宙が静止していることを証明するためにのみ宇宙定数を導入しました。同時に、宇宙定数は、アインシュタインの静的宇宙モデルがまったく正しくないことも証明しています。

現代科学は厳密な観察と計算に基づいています。紆余曲折を経て、時を経て復活した宇宙定数は新たな意味を帯びるようになった。

現在の標準的な宇宙論モデル ΛCDM では、宇宙の状態を記述するために使用される方程式は、主に 3 つの宇宙論パラメータ、すなわち ΩM 宇宙論密度パラメータ、ΩΛ 宇宙論正規化定数、および H0 ハッブル定数に関連しています。この式に含まれる 2 つの主な変数、つまり宇宙密度パラメータとハッブル定数は、どちらも非常に重要です。

名前が示すように、ダークエネルギーは目に見えない宇宙の神秘的なエネルギーです。暗黒エネルギーは直接観測できないので、科学者は宇宙定数の値をどのように計算するのでしょうか?答えはこうです。科学者は遠方のIa型超新星の赤方偏移と大きさの情報を観測​​し、さまざまな宇宙定数モデルを想定し、観測結果を当てはめて比較的正確な宇宙定数を測定します。

標準宇宙論モデル

(画像出典: wikipedia)

言い換えれば、天文学者は遠方の超新星や宇宙マイクロ波背景放射の変動の観測に基づいて宇宙定数の値を推定します。

さらに、宇宙定数の計算は、宇宙における重金属元素の豊富さと密接に関係しています。現在の研究では、宇宙の重金属元素（鉄より重い元素）のほとんどは超新星爆発から来ていることが示唆されています。超新星爆発は、銀河、星団、恒星、惑星の形成に重要な重金属を含む物質を宇宙に放出します。

要約すると、暗黒エネルギーの特性は、Ia 型超新星の観測から計算できる宇宙定数から推測できます。

あらゆるタイプの超新星の中で、天文学者が宇宙の膨張を観測するための重要なツールとなるタイプが 1 つあります。それは、これから述べる Ia 型超新星です。

Ia型超新星：宇宙の膨張を研究する希望の光

Ia型超新星は、現在の国際天文学界における「注目の人物」と言えるでしょう。関連する学術コミュニティに人気のトピックの検索リストがある場合は、そのトピックは必ずリストに載ります。

Ia 型超新星はスペクトル内に水素とヘリウムの線がなく、ピーク光度が本質的に同じであるため、「標準光源」とも呼ばれます。地球上で観測されるIa型超新星のさまざまな明るさに基づいて、それらの地球からの距離を知ることができます。

この原理に基づいて、科学者たちはIa型超新星の光度曲線と赤方偏移値を観測し、Ia型超新星が私たちからどんどん遠ざかっており、その速度もますます速くなっていることを発見しました。これは、宇宙が加速的に膨張していることを意味します。宇宙の加速膨張を推進する未知の力が「ダークエネルギー」です。

天文学の世界では「有名人」であるIa型新星の役割も非常に重要です。ハッブル定数H0や宇宙論パラメータΩMとΩΛを計算する際には、Ia型超新星の起源となる星と密接に関係するIa型超新星の誕生率などの情報を知る必要があります。銀河の進化には、Ia型超新星の元素合成、噴出物の運動エネルギー、放射線などの物理的入力も必要である。 Ia型超新星の爆発モデルのシミュレーションと理解により、爆発前の初期条件と爆発が発生したときの環境を知ることができます。 Ia型超新星の祖先星を特定することで、連星進化の理論に合理的な制約を与えることができる。

したがって、Ia 型超新星を研究でさらに活用するには、Ia 型超新星の祖先星を詳細に理解する必要があります。しかし、これまでのところ、Ia型超新星の祖先星モデルはまだ不明です。

Ia型超新星と超軟X線源の「前世」

過去数十年にわたり、Ia 型超新星の祖先星について多くの理論が提唱されてきましたが、その中で現在最も人気のある 2 つのモデルは、単一縮退星モデルと二重縮退星モデルです。

2つの祖星モデルの模式図

左: 単一の縮退星モデル。右: 二重縮退星モデル。

(画像提供: NASA)

連星縮退星モデルとは、2 つの CO 白色矮星が互いの周りを回転し、重力波放射によって角運動量を継続的に失い、最終的に新しい CO 白色矮星に融合することを意味します。合体後の合計質量がチャンドラセカール質量限界を超えると、Ia型超新星爆発が発生します。

単一の縮退星モデルは、CO 白色矮星と伴星を指します。伴星は主系列星、赤色巨星、またはヘリウム星である可能性があります。白色矮星は伴星から物質を吸収し、表面で水素を豊富に含む物質を燃焼させ、自身の質量を継続的に増加させます。質量がチャンドラセカール質量限界まで増加すると、熱核爆発が発生します。

どちらのモデルも理論的にも観測的にもいくつかの利点と欠点を持っているため、どちらのモデルが Ia 型超新星の起源であるかについては依然として議論が続いています。しかし、単一縮退星モデルによって計算されたスペクトルと光​​度曲線は観測結果とよく一致しており、Ia型超新星の祖星のより主流なモデルであると言えます。

現在認識されている単一の縮退星モデルの最も可能性の高い前身の星系は、超軟X線源です。しかし、超軟X線源に関する現在の研究では、準周期的な光曲線の起源はまだ不明であり、これが再びIa型超新星の起源の研究の障害となっている。

新たな研究の進歩が「希望の光」をもたらす

中国科学院雲南天文台の研究者たちの努力のおかげで、「超軟X線源の研究における準周期的光曲線」という難しい問題が最近新たな突破口を開いたことは、誇るべきことです。

超軟X線源は、降着して熱核燃焼する白色矮星を含む特殊なタイプの近接連星系です。超軟X線源は白色矮星と大質量の主系列伴星で構成されています。白色矮星は伴星から物質を吸収し、安定して燃焼します。超軟X線源の光度曲線は、明暗が交互に繰り返される準周期的な変化を示します。

観測によれば、超軟X線源は非常に明るい黒体放射輝度を持ちますが、そのX線スペクトルは非常に軟らかくなります。典型的な源では、ピークは約 20～80eV で、黒体放射温度は 105～106 K です。伴星は通常、主系列星または準巨星であり、軌道周期は数時間から数日です。しかし、超軟X線源の光曲線におけるこの準周期的変動の原因は依然として不明です。

この目的のために、私たちの研究者は、超軟X線が伴星に定期的に照射され、伴星が周期的に膨張と収縮を起こしているのではないかと提案しました。そのため、連星の物質移動率は周期的に増減し、白色矮星の光球は周期的に膨張と収縮を起こし、超軟X線源の光曲線をよく再現します。

超軟X線照射を受けた伴星モデルの進化の模式図

（写真提供：趙衛涛）

この研究結果は、超軟X線源における準周期的光曲線の起源を説明する新しい方法を提供するだけでなく、Ia型超新星の起源の研究に新たな研究アイデアも提供します。現在、関連する結果は「超軟X線源における光学的準周期的変動の起源に関する堅牢なモデル」というタイトルで、天文学と天体物理学（A&A）誌に最近発表されました。

結論

ダークエネルギーの研究は20年以上続いていますが、科学者たちはそれが何であるかをまだ正確に言うことができていません。人類が発見し理解した広大な宇宙の一部はまだ氷山の一角にすぎません。しかし、すべての科学研究者の継続的な努力により、人類は今後もその英知を駆使して未知の領域を探索し、未来を予測し、推測し、答えを探し続けるでしょう。

中国の科学研究者は厳格かつ科学的な姿勢で天文探査の分野で画期的な成果を上げ続け、未解決の謎はいずれ明らかになるだろうと私は信じています。

編集者：郭 雅新