宇宙の錬金術: 中性子星の合体により貴金属原子の育成場が作られる?

中性子星合体：貴金属原子の育成場

恒星の破壊の過程では、同様の爆発を理解するための重要な背景情報を提供できる短時間のガンマ線バーストが発生します。

チリのアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）による新たな観測によると、遠方の中性子星の合体により、これまでに記録された中で最も強力な短時間ガンマ線バースト（GRB）の一つが放出された。

中性子星は、巨大な恒星が爆発した後に残る超高密度の恒星核であり、2つの中性子星が衝突すると、「キロノバ」と呼ばれる光のバーストを生み出す劇的な爆発が発生します。この合体により、重力波と短時間のガンマ線放射も放出され、2つの高密度ジェットが反対方向に宇宙空間に噴出した。

2021年11月6日、NASAのINTEGRAL X線・ガンマ線観測衛星が短時間のガンマ線バーストを検出し、直ちに警報が発令され、NASAのSwift衛星などが追跡を開始した。 GRB 211106Aとして分類されるこの爆発は2秒未満しか続かなかったが、合体によって放出された粒子の噴流が周囲のガスを励起したため、キロノバの残光はそれよりずっと長く輝いた。

「この短時間のガンマ線バーストは、アルマ望遠鏡でこのような現象を観測する初めての試みだった」とイリノイ州ノースウェスタン大学の天文学者ウェンファイ・フォン氏は声明で述べた。 「一瞬の閃光の残光を捉えるのは難しいので、このような明るい閃光を捉えるのは壮観です。」

中性子星の合体（左）の想像図。相対論的な粒子ジェットが生成され、それが周囲のガスと相互作用して残光を生み出します。 (画像クレジット: アルマ望遠鏡 (ESO/国立天文台/NRAO)、M. ワイス (NRAO/AUI/NSF))

ALMA の調整されたミリ波観測により、合体による残光を検出しながら、天文学者はこれらの巨大な星の爆発をよりよく理解できるようになります。

「ミリ波はGRBの周囲の環境の密度について教えてくれる」とノースウェスタン大学のジェネビーブ・シュローダー氏は同じ声明の中で述べた。 「そして、X線と組み合わせると、ミリ波は爆発の真のエネルギーを教えてくれます。」

GRB のジェットはほぼ光速で移動するため、衝撃波によって電子が加速されます。これらの電子からの放射エネルギーはミリメートル波長でピークに達するため、天文学者は爆発の総エネルギーを知ることができます。

ALMA の測定によると、GRB 211106A によって放出される総エネルギーは 2 x 10^50 エルグから 6 x 10^51 エルグの間であり、これはこれまで観測された最も強力な短時間 GRB の 1 つとなります。 (1 エルグは 10^-7 ジュールに相当します。比較すると、太陽は 1 秒あたり 3.8 x 10^33 エルグしか放出しません。

衝突する前の 2 つの中性子星を描いた芸術家の描写。 (画像提供: NASA/ゴダード宇宙飛行センター)

GRB 211106A が比較的明るいというのは特に印象的です。なぜなら、この合体は 6 億 3000 万年前から 9 億 1000 万年前の間に発生し、宇宙の膨張により、合体が起こった銀河は現在、地球から約 200 億光年離れているからです。この距離では、合体によって放出される重力波は検出できないほど弱い。

ALMA で観測するもう一つの利点は、ミリ波の残光が X 線の残光よりもはるかに長く続くことです。これにより、天文学者は GRB ジェットを研究する時間を増やすことができました。GRB ジェットは、最初は狭い流れとして始まり、その後、レーザー ポインターがレーザー ベースよりも大きな壁に点を形成するように、徐々に広がります。

フォン氏とシュローダー氏のチームは、ジェットの開口角度は16度であると計算した。これは、短距離GRBとしてはこれまで測定された中で最も広い角度だ。これは重要なことです。なぜなら、ジェットが私たちの方を向いている場合にのみ GRB を見ることができるため、ジェットの幅が広いほど、見られる可能性が高くなるからです。

この結論は重要です。天文学者は、観測される短いガンマ線バーストの数とジェットが開く角度の推定値に基づいて、宇宙で中性子星が合体する速度を計算します。より短いガンマ線バーストのジェットの開口角が広い場合、科学者は中性子星の合体の発生数を過大評価する可能性がある。

中性子星の合体を観測することは、天体物理学者にとって単なる好奇心ではなく、宇宙の化学にも影響を与えます。中性子星の合体によって生成されるエネルギーは非常に強力であるため、金、プラチナ、銀など、宇宙で最も重く最も貴重な元素のいくつかがこれらの衝突から生成されます。実際、科学者たちは、中性子星の単一の合体で地球の3〜13倍の質量の金が生成される可能性があると推定しています。したがって、これらの元素の宇宙における存在量は、中性子星の合体がどれほど速く起こるかに大きく依存します。

この衝突は宇宙の錬金術として捉えられ、周囲に貴金属原子が散りばめられているように見えるが、この発見は天文学者に短時間ガンマ線バーストとその残光を研究するための全く新しい分野も提供する。 「何十年にもわたる観測を経て、こうした新しい技術によって宇宙からの驚くべき贈り物が解き放たれるのを見るのは本当にエキサイティングだ」とフォン氏は語った。

この研究結果を記した論文は、次号の『The Astrophysical Journal Letters』に掲載される予定だ。

著者：キース・クーパー

FY: 清

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