最強のガンマ線バーストによって、これらの超新星の「爆発物質」が明らかになるのでしょうか?

「私たちは畏敬の念を抱いており、これを研究できることをとても幸運に感じています」

図1 チリのジェミニ南望遠鏡によるGRB221009Aの観測

(画像提供: ジェミニ天文台/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU))

& J. ラスティネジャド & W. フォン (ノースウェスタン大学)

2022年10月9日、明るい光が地球を通過し、いくつかの衛星探査機が一時的に「見えなくなる」ほどになり、空を照らした超強力なガンマ線バーストにすべての目が注がれました。ガンマ線は、ビッグバン以外で宇宙で知られている爆発の中で最もエネルギーの強いタイプであり、その出現はブラックホールの誕生の兆候となることが多い。

わずか数時間のうちに、世界中の何万もの望遠鏡が爆発の発生源を照らし、この歴史的な瞬間を記録した。「BOAT（史上最も明るい）」というニックネームが付けられたこの現象の正式名称はGRB 221009Aで、科学者たちはこの現象が恐ろしいブラックホールの物理学を解明するのに役立つことを期待している。「これは100年に一度、いや、もしかしたら1000年に一度の出来事であり、私たちはこれに畏敬の念を抱き、研究する機会を与えられたことに感謝している」とメリーランド州およびジョージ・ワシントン大学のブランドン・オコナー氏は語った。

実際、ガンマ線は珍しいものではありません。それらのビームはほぼ毎日地球を通過し、宇宙ではさらに頻繁に出現します。中性子星は、巨大な恒星の超新星爆発によって生成されます。これらの恒星の死骸は徐々にエネルギーを消費し、その崩壊によって生じるガンマ線はほんの一瞬しか発光しません。ブラックホールによって発生するガンマ線は数分間持続することがあります。これらは超新星爆発によって生成され、親星から大量の物質を飲み込み、巨大なジェットの形で放出されます。

今回観測されたガンマ線バーストは、これまでのものと比べて特に顕著であった。発生した光子は10分間にわたって検出器に衝突し、これまで観測されたものよりもはるかに高いエネルギーを運びました。 GRB221009A の光子は 18 テラ電子ボルトで、地球上で最も強力な粒子発生装置である大型ハドロン衝突型加速器によって生成される光子の 2 倍のエネルギーを持っています。ガンマ線と宇宙塵の相互作用によって生じた爆発の残光も異常なものだった。ガンマ線源は天の川の厚い帯によって遮られていたが、これまでに観測されたどの残光よりも明るかった。爆発により地球の大気がイオン化され、長波無線通信に干渉した。

図2 チリのジェミニ南望遠鏡で観測されたGRB221009Aガンマ線バースト

(画像提供: ジェミニ天文台/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU))

& J. ラスティネジャド & W. フォン (ノースウェスタン大学)

ブランドン・オコナー氏は、ガンマ線が放出されてから5日後の2022年10月14日に、チリのジェミニ南望遠鏡を使用して、ガンマ線の約30％の発生源を追跡したと述べた。その発生源は、矢銀河としても知られる塵の多いいて座銀河から来ていた。さらにもう一つの驚きがあった。このガンマ線バーストは、これまでで最も地球に近かったのだ。

測定に参加したノースウェスタン大学の学生、ジリアン・ラスティネジャド氏は、この放射線は寿命の短い巨大な星の崩壊によって生成されると語った。これらは宇宙の星形成の歴史に沿って起こるため、星形成が激しいほど、宇宙の年齢の約半分の時点で発生するこれらのバーストの数が多くなります。しかし、このガンマ線バーストはその後、私たちの近くで発生しました。

天文学者たちは、GRB221009Aは地球から24億光年離れたところから発生したと推測している。より近い距離での GRB は以前にも観測されていますが、今回はその高エネルギーが際立っています。「十分明るいので、詳細を掘り出す時間は十分ある」とブランドン・オコナー氏は語った。「全波長範囲にわたって観測できる望遠鏡が少なくとも50台あれば、科学技術を最大限に活用できる。」

実際には、ガンマ線バーストは数分間しか続きませんが、その余波は数週間続くことがあります。科学者たちは、物質をよりゆっくりと放出する超新星による爆発も探している。ブランドン・オコナー氏は、現在の理解では、巨大な恒星が内側に崩壊してブラックホールを形成し、恒星の残骸がジェットの形でブラックホールに継続的に吸い込まれ、ほぼ光速で流れてガンマ線バーストを形成する、と述べた。同時に、破片の一部は外側に跳ね返り、より遅い速度で移動し、超新星爆発を形成しました。

図3 最強のガンマ線バーストによって点火された宇宙ダストリング

(画像提供: NASA/Swift/A. Beardmore (英国レスター大学))

最初のガンマ線バーストは周囲の物質と相互作用して余波を形成しました。ラスティネジャド氏は、この波長は電磁波の範囲に及び、X線と電波の領域で最もよく観測されると述べた。科学者たちは今もエイの余波を観察する作業を続けている。この現象はNASAのガンマ線追跡衛星スイフトによって初めて撮影され、爆発の数時間後に発生源の周囲に色鮮やかなリングを形成した。

望遠鏡は現在、GRB 221009A で超新星爆発の最初の兆候を観測できる。ラスティネジャド氏は、爆発は今後数週間で完全に観測できるようになるが、爆発源の位置が限られているため、超新星爆発と消滅の全体を見ることはできないかもしれないと指摘している。徐々に太陽の後ろに隠れていくため、今年の11月末まで続き、来年の2月まで再び観測することはできません。

彼女は、2023年にNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡がこの取り組みに加わり、それぞれ強力な光学および赤外線検出機能を提供することになると指摘した。爆発によって生み出されるエネルギーの探査は、関連する化学物質の探査と同様に画期的な出来事である。宇宙のいくつかの重元素がどのように生成されるかはまだわかっていませんが、超新星を研究することでその謎を解くことができます。

図4 生まれたばかりのブラックホールは強力なガンマ線ジェットを形成する

(画像クレジット: NASA/ESA/M. Kornmesser)

ガンマ線は1960年代にソ連の核実験を偵察するために使われた軍事衛星によって偶然発見された。 1990年代に科学者が初めて、宇宙全体に隠されたガンマ線が恒星の崩壊に関係している可能性があることに気づくまで、ガンマ線は数十年にわたって謎のままでした。

現在、ガンマ線に関する私たちの理解の多くは、依然として理論的な計算とシミュレーションに基づいています。科学者たちは、このガンマ線バーストがこれまでの理論を大きく修正するだろうと考えている。科学者たちはこの一生に一度あるかないかの機会を最大限に活用し、今後数か月間に多数の論文が発表される予定です。

同様のエネルギーの爆発は科学研究にとって恩恵となるが、科学者たちはそのような爆発が地球の近くで起こることを望んでおらず、できれば私たちの銀河系内で起こることを望んでいない。科学者たちは、何千光年も離れたところから地球に向かって放射されるガンマ線がオゾン層を破壊し、最終的に氷河期をもたらした大気の変化を引き起こしたと考えている。実際、同様のガンマ線バーストは、地球上で発生した5大大量絶滅事象の1つ、約4億4000万年前のオルドビス紀絶滅を引き起こした。

「幸いなことに、このジェットによって発生するガンマ線バーストの幅は非常に狭く、わずか数度だ」とブランドン・オコナー氏は語った。「もしそれが我々の銀河系内で発生し、我々に直接向けられたら危険だが、幸いなことにそのような現象が発生する確率は極めて低い。」

追加説明：①NOIRLab：国立光赤外線天文学研究所

国立光赤外線天文学研究所

② NSF：国立科学財団

③ AURA：天文学研究大学協会

大学天文学研究協会

④ テラ電子ボルト、10^12 evとも呼ばれる

⑤ LHC：大型ハドロン衝突型加速器

⑥ スウィフト：ガンマ線バースト探査機

著者: テレーザ・プルタロヴァ

FY: gxm

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