レア！中国の天文台で新たな発見！ 20億年前の光子を受信しました！

北京時間2022年10月9日夕方、米国のフェルミ衛星は宇宙からのガンマ線バースト（以下、ガンマ線バースト）現象を検出し、GRB 221009Aと命名された。このガンマ線バーストの巨大な放射線束により、ほとんどの国際宇宙衛星実験検出器の検出能力が飽和し、一時的な機器の故障やデータの蓄積が生じました。

その後、世界中の複数の検出器を比較分析した結果、天文学者たちは、これが人類史上最も明るいガンマ線バーストであり、2番目よりも約50倍明るいことに全員一致で同意し、これをBOAT（史上最も明るい）と名付けました。

この爆発の間、中国の高高度宇宙線観測所（LHAASO、中国語では「LASO」と略される）は傑出したパフォーマンスを発揮し、極めて高品質の1兆電子ボルトの観測データを取得しました。ガンマ線バーストの1兆電子ボルト残光の光度上昇段階を初めて描写しただけでなく、極初期残光の光の変化と消滅現象も発見した。

高高度宇宙線観測所。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

ガンマ線バースト、星の死の最後の歌

ガンマ線バーストとは、空で突然ガンマ線が爆発することです。

ガンマ線バーストの起源は、1967年に初めて発見されて以来、天文学者を悩ませてきた。地上のガンマ線は一般に放射性元素から発生するため、地球上のガンマ線バーストは激しい核爆発と関連付けられることが多い。しかし、空の星の核反応は比較的安定しており、突然の爆発は起こりません。

空で起こるガンマ線バーストはどの天体から発生するのでしょうか?彼らは私たちの銀河系にいるのでしょうか、それとも遠い宇宙にいるのでしょうか?なぜこれらのガンマ線はバースト的に現れ、すぐに消えてしまうのでしょうか?

関連する質問には 1990 年代まで明確な答えがありませんでした。 1997年、BeppoSAX衛星によるX線残光の優れた位置測定により、ガンマ線バーストが遠方の銀河から来ていることが確認され、ガンマ線バーストの相対論的火球モデルも多くの点で確認されました。

ガンマ線バーストの秘密がついに明らかにされました。ガンマ線バーストは、多数のガンマ光子と陽電子対を含む、光速に近い速度で移動する「火の玉」から発生します。「火の玉」内の強力な磁場環境により、高エネルギー電子はシンクロトロン放射などのメカニズムを通じてガンマ線を生成することができます。

今回、「Laso」がガンマ線を受ける過程は以下のとおりです。

約20億年前、巨大な恒星の核融合燃料が尽きて重力により崩壊し、極めて細い円錐状の「火の玉」を放出した。「火の玉」の中では大量の高エネルギーガンマ光子が生成され、地球に向かって飛んでいき、 24億光年の距離を旅して地球に到達します。これらの高エネルギー光子は、地球に到達するまでにすでに数千の銀河の範囲に広がっており、最終的に地球に衝突できるガンマ光子はごくわずかです。

ガンマ光子が大気圏に入ると、地球の大気圏にある原子核と衝突し、陽電子と電子のペアに分裂します。陽電子と電子が大気中の原子核と衝突し、わずかにエネルギーの低い光子を生成します。これらの光子は断片化し続け、このサイクルが繰り返されます。元のガンマ光子はすぐにクラスターに変わり、どんどん強くなり、単一粒子のエネルギーはどんどん低くなり、エネルギーが分散して使い果たされ、効果がなくなります。

2022年10月9日北京時間午後21時21分、ガンマ光子が次々と地球に到達し、大気圏に突入した。空気シャワーが地表に降り注いだが、残念ながら人間の目ではこれらの壮観なシャワーを区別することはできない。 「ラゾ」はすべてを目撃しており、人類は「ラゾ」を使って20億年を旅し、24億光年離れた星の秘密を解読した。

「レーザー」に当たる高エネルギーガンマイベントの芸術的レンダリング。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所、中国科学技術大学芸術科学研究センター制作

アフターグローはガンマ線バーストを解読するための優れたプローブ

「ラゾ」はどうやってその星の秘密を解読したのでしょうか？これはガンマ線バーストの残光から始まります。

ガンマ線バーストによって放出された「火の玉」が星間物質（塵やガスなど）と衝突すると、電子や原子核などの粒子が加速されます。その中で、高エネルギー電子は、電波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線など、さまざまな帯域の電磁波を放射し、虹のように数時間、数日、あるいは数か月間も空に残ります。この現象は「残光」と呼ばれます。

円錐形の「火の玉」と星間物質の相互作用によって生成される残光。画像提供: 中国科学院高エネルギー物理研究所、中国科学技術大学芸術科学研究センター制作

残光プロセスが始まると、ガンマ光子はますます速い速度で生成され続け、生成される光子の数は非常に短い時間で最大に達します。この過程で、「火の玉」のエネルギーは徐々に失われ、放射線光子の数の増加は徐々に鈍化します。

「ラゾ」の「目」では、空が突然明るくなり、その後徐々に暗くなります。 「ラゾ」はガンマ線バーストの明るさの変化を「感じる」ことができる。ガンマ光子が地球に衝突する過程は夏の暴風雨のようなもので、急速に始まり、消えるまでに長い時間がかかります。科学者は「光度曲線」を使用して、残光の明るさが時間の経過とともに変化するプロセスを説明します。このプロセスには、明るさの上昇と下降という 2 つの主な段階が含まれます。

残光の発見と観測はガンマ線バーストの研究に画期的な進歩をもたらしました。ガンマ線バーストの火球内部の相互作用によって生成される、短時間しか持続しない放射線（過渡放射線と呼ばれる）と比較すると、残光はより長く持続し、より豊富な波長帯域を持っているため、ガンマ線バーストの「火球」に関するより包括的な情報を人間に提供することができます。

過去数十年にわたり、天文学者は電波、可視光線、X線、ガンマ線など複数の帯域で約1万のガンマ線バーストの残光を観測し、残光の画像をほぼ完成させました。しかし、残光の初期過程、つまり明るさが徐々に増していく段階については、天文学者はあまり観測していませんでした。

これは、明るさが上昇する期間が数十秒程度と非常に短く、それを達成するには機器が素早く観測を狙い、追跡する必要があるためです。さらに、放射束はエネルギーの増加とともに急速に減少するため、天文学者は高エネルギー範囲での残光の明るさの増加を観測したことはありません。

この未観測のバンドには新たな秘密が隠されているのでしょうか?

「投げ縄」

高エネルギー残光放射の初の完全観測

2018年以来、2つの大気チェレンコフ望遠鏡がテラ電子ボルト（TeV）エネルギー範囲の3つのガンマ線バーストの残光を観測してきました。しかし、望遠鏡がガンマ線バーストの方向を向くまでにある程度の時間がかかることから、残光の減衰段階しか観測できず、高エネルギー残光の完全な時間発展図は描けなかった。

しかし、「Lasso」は違います。「LASO」には3つの利点があり、ガンマ線バーストの残光をもっとよく観測できる機会が増えます。

1つは、1000億電子ボルトから10兆電子ボルトのエネルギー範囲における超高感度です。 「LASO」の水チェレンコフ検出器アレイの総カバー面積は最大7万8000平方メートルで、これは同様の国際検出器の4倍にあたり、非常に微弱なガンマ線バースト信号を観測できる。

2つ目は観察視野が広いことです。 「LaSor」は宇宙範囲の1/6を同時に観測することができ、これは望遠鏡装置の数百倍の広さで、回転せずにより多くのガンマ線バーストを捉えることができます。

3つ目は全天候型稼働状態です。

「Laso」は昼でも夜でも、晴れでも雨でも観測を続けることができ、望遠鏡のように晴れた夜だけ作動する必要がありません。

「Laso」水チェレンコフ検出器アレイの概略図。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

ガンマ線バーストの観測は、Lasso の重要な科学的目標の 1 つです。ガンマ線バースト221009Aの高エネルギー放射信号は、2022年10月9日夜21時20分50秒に「Lazo」の視野に到達しました。1時間足らずで、6万個以上のガンマ光子が優れた観測角度で「Lazo」によって収集され、その有意性は標準偏差の最大250倍に達しました。

数ヶ月に及ぶ分析を経て、科学者たちはついに爆発の謎を解明し、その結果は2023年6月9日にサイエンス誌オンライン版で発表された。人類は「Lasso」を頼りに、ガンマ線バーストの高エネルギー残光放射の上昇から下降までの進化過程全体を初めて「観察」し、残光曲線のパズルの欠けていたピースを埋めた。

Lasso によって観測されたテラ電子ボルトエネルギー範囲全体の光曲線。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

では、残光の明るさが上昇する段階を観察する意義とは何でしょうか？

「ラッソ」は残光発生後数秒以内の状況を監視し、光度曲線に基づいてガンマ線バースト残光放射の開始時間を計算しました。

理論モデルからの非常に初期の残光についてのいくつかの推測も検証することができます。これまでの理論分析では、残光の最初の光線はガンマ線バーストの過渡放射バーストのピーク段階で現れるはずであり、この瞬間は基本的に他の検出器によって観測されるガンマ線バーストのピークの瞬間と一致しています。

「LASSO」は残光曲線の上昇段階を検出し、開始からピークまでの時間間隔を与えました。理論家たちは、このモデルに基づいて GRB221009A「火の玉」の移動速度を推測できる。それに比べて、ガンマ線バーストの「火の玉」ははるかに速い速度で放出され、ローレンツ係数は最大 440 で、真空中の光速との差はわずか 300 万分の 1 です。

光の変化と中断がBOATの秘密を明らかにする

上記の発見に加え、「LASO」は残光が現れてから700秒後から始まる明るさの急激な変化を直接観測しました。光曲線に壊れた構造がありました。この現象は「火の玉」ジェットの端であると信じられていました。

ガンマ線バーストの「火の玉」はどこから来るのでしょうか?現在の理論では、それは中心の天体によって生成された相対論的なジェットであると考えられています。中心の天体は、高速で回転する中性子星またはブラックホールである可能性があります。急速な回転によって形成される極めて激しい電磁場の力を借りて、重力で崩壊した反動物質の一部が回転軸方向に沿って噴出され、点火された花火のようなジェットを形成します。放出された物質の速度が光速に近づくと、相対論的な集束効果が生じ、スポットライトのように光が集中します。

「スポットライトビーム」のサイズがジェット自体よりも小さく、観察者がビーム内にいる場合、この時点で見える光はすべて焦点が合っているため、ジェットの形状を区別することはできません。

しかし、ジェット機は常に同じ速度を維持できるわけではありません。速度が落ちると光を集める能力が弱まり、ジェットの端が見えるようになります。平均的な視覚的明るさも低下し、突然の急激な明るさの低下と、ジェットの形状と大きさを示す明確な変化または中断によって証明されます。

これまで多くの実験でガンマ線バーストの光の不連続性が観測されてきましたが、これらの現象は残光が現れてから数時間後に発生することがよくあります。今回の「ラソ」観測の結果、人類は初めて数百秒以内に残光の明滅を観測することができた。これは史上最も早いことだ。これは、ジェットとその生成メカニズムを理解する上で大きな助けとなります。

これは、光の破片を見ることによってのみ、ジェット自体のサイズを決定し、そのような「火の玉」を生成するために必要な条件を推測できるためです。

「ラッソ」の観測データから、科学者たちはこのジェットの半角はわずか0.8度であると推測した。これは現在までに知られている最小角度のジェットであり、観測された光子は実際には典型的なジェットの最も明るい中心から来ていることを意味します。観測者がたまたまジェットの最も明るい中心核を直接見ていたという事実は、このガンマ線バーストが史上最も明るい理由と、このような現象が稀である理由を自然に説明しています。

光誘起破壊の原因を示す模式図。残光は強いコリメーションを持っています。観測者は最初、円錐状の「火の玉」の中央部分だけを見ることになります。「火の玉」が減速するにつれて、光のコリメーションが減少し、視野がゆっくりと拡大し、最終的に「火の玉」全体が見えるようになります。画像出典：参考文献[10]

急速な上昇、未だに解決されていない謎

優れた観測能力と優れた観測角度のおかげで、Lasso は、1000 年に一度の現象であり、これまでに記録された中で最も明るいガンマ線バーストである GRB 221009A を完璧に観測しました。ガンマ線バーストの高エネルギー残光放射の光度曲線の初めての完全な測定を達成し、残光放射の崩壊現象を直接観測し、最も明るいガンマ線バーストの原因を説明し、ガンマ線バーストの古典的理論を検証しました。この観測結果は、人類によるガンマ線バースト観測の歴史に大きな足跡を残すことになるだろう。

しかし、これで終わりではありません。

光度曲線には、ガンマ線バーストの放射量が 2 秒未満で 100 倍以上増加する急激な上昇段階が含まれており、その後の緩やかな成長挙動は、その後の爆発の予想される特性と一致しています。ガンマ線バーストの残光放射における光子束の極端に急激な増加現象が検出されたのは、世界で初めてです。このような急速な強化は、これまでの理論モデルの予想を超えていました。

ここにはどのような仕組みがあるのでしょうか?

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きっかけになると考えられています。科学者たちは今後もこの分野をさらに深く研究し、ガンマ線バーストのさらなる謎を解明していくだろう。

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