「ラソ」について新たな発見がありました！ 1000年に一度のガンマ線バーストの残光全体を世界初精密観測

制作：中国科学普及協会

著者: Crossing the Stars チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

2023年6月9日、高高度宇宙線観測所（LHAASO、中国語では「Laso」と略される）によるガンマ線バースト（GRB）GRB 221009Aに関する最新の観測研究成果が、「極めて明るいガンマ線バースト221009Aの狭いジェットからのテラ電子ボルトの残光」と題して、科学誌「サイエンス」にオンライン掲載された。この論文は、LHAASO 国際協力グループによって完成されました。

高高度宇宙線観測所 (LHAASO)

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

約20億年前、太陽の20倍以上の重さを持つ「スーパーサン」と呼ばれる巨大な恒星が核融合燃料を燃やし尽くして瞬時に崩壊し、巨大な爆発の火球を引き起こし、数百秒間続いた巨大な「宇宙花火」ガンマ線バーストを放出しました。火球と星間物質の衝突により発生した大量の兆電子ボルトの高エネルギーガンマ光子は広大な宇宙を飛び越えて地球に直行し、2022年10月9日夜21時20分50秒に「ラゾ」の視野に到達した。「ラゾ」によって収集されたガンマ光子の数は6万個以上。数か月に及ぶ分析の後、科学者たちはついに爆発の謎を解明した。

ガンマ線バーストとは何ですか?

ガンマ線バースト（GRB とも略される）は、ビッグバン以降に起きた最も激しい天体爆発現象です。これは、空の特定の方向から来るガンマ線の閃光が突然増加することを意味します。ガンマ線バーストは、1000分の1秒ほど短いものから、数時間ほど長いものまであります。短時間ガンマ線バーストは、近くにある 2 つのコンパクトな天体 (ブラックホールまたは中性子星) の合体によって生成されますが、長時間ガンマ線バーストは、燃料が枯渇した大質量星 (スーパースター) の崩壊と爆発によって生成されます。

2022年10月9日北京時間21時16分59秒59秒、フェルミ宇宙船は初めて異常に明るいガンマ線バーストを検出し、国際慣例に従ってGRB221009Aと名付けられました。その後、数十の宇宙および地上の検出器がこのバーストを観測した。このガンマ線バーストは長時間にわたるもので、その明るさは過去で最も明るいガンマ線バーストの数十倍にも達します。過剰な光子束により、複数の国際実験の検出器が飽和状態になりました。我が国の高高度宇宙線観測衛星（LHAASO）、高エネルギーバースト探査衛星（HEBS）、およびInsight-HXMT衛星は、このガンマ線バーストを同時に検出し、11桁の広いエネルギー範囲にわたる地上から宇宙への協調観測を実現しました。

ガンマ線バースト (GRB 221009A) を検出した Lasso の想像図。

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

高エネルギー光子バーストの全過程を初めて精密に測定

今回「ラソ」が収集した信号の詳細は、検出された光子が主爆発後の続発爆発から来たものであることを示しています。ガンマ線バースト現象の「主爆発」は即発放射とも呼ばれ、初期段階で起こる巨大な爆発であり、強力な低エネルギーガンマ線放射として現れます。光速に近い速度で移動する爆発物が周囲のガスと衝突すると、「後爆発」または残光が発生します。ラッソは初めて「余波爆発」の全過程を正確に観測し、1兆電子ボルトのガンマ線束の増強と減衰の全段階を記録した。

科学者たちは、何万ものガンマ線バーストの観測に基づいて、一見完璧な理論モデルを確立し、それを固く信じています。 「Laso」は、他の実験では達成できなかった高エネルギー帯における光の変化過程の教科書的な完全観測を達成し、理論モデルの正確なテストのための実験的基礎を提供しました。この噴火は1000年に1度しか起こらないという稀な現象であるため、この観測結果は今後数十年、あるいは数百年にわたって最良の結果を維持すると予想されます。

史上最も明るいガンマ線バーストの秘密が発見された

ラッソの観測により、爆発後10分も経たないうちに高エネルギー放射線の明るさが突然急速に減少したことがわかった。これは主に、爆発後の噴出物がジェット状の構造をしており、放射角がジェットの端まで広がると明るさが急激に低下するためです。この明るさの変化は非常に早い段階で発生したため、測定されたジェットの角度も非常に小さく、わずか 0.8 度でした。これは、現在までに知られている最も小さい開口角を持つジェットであり、つまり、観測されているのは、実際には、内部が明るく外部が暗い典型的なジェットの最も明るい中心部分であ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、このような現象が極めてまれである理由を自然に説明しています。

ラッソは、ガンマ線バースト GRB 221009A を 250 標準偏差を超える高い有意水準で観測しました。

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

LHAASO: 高度4410メートル、宇宙の超高エネルギー限界を探る

LHAASOは宇宙線の観測と研究を中核とする国家の主要な科学技術基盤です。四川省稲城県海子山に位置し、平均標高は4,410メートル、面積は約1.36平方キロメートルです。 LHAASO は、5,216 個の電磁粒子検出器と 1,188 個のミューオン検出器で構成される 1 平方キロメートルの地上粒子シャワー検出器アレイ (KM2A)、3,120 個の検出ユニットで構成される 78,000 平方メートルの水チェレンコフ検出器アレイ (WCDA)、および 18 個の望遠鏡で構成される広角チェレンコフ望遠鏡アレイ (WFCTA) の 3 つのアレイで構成されています。高エネルギー天体からのガンマ線や宇宙線を広帯域かつ多方面で測定し、天体物理学などの研究を行うことができます。

観測結果は主に水チェレンコフ検出器アレイによって提供されました。この検出器は36万トンの純水を媒体として使い、水底に設置されたさまざまなサイズの6,240個の感光プローブを通じて、大気中のガンマ線や宇宙線の動きや作用によって生じる低エネルギーのガンマ光子、陽電子、電子などの二次生成物を測定します。水中でチェレンコフ光信号を生成します。このアレイのガンマ線観測エネルギー範囲は1000億電子ボルトから10兆電子ボルトの2桁に及び、広い視野と全天候型の特性を備えているため、ガンマ線バーストなどの突発的な天文現象を捉えるのに優れた利点があります。

高高度宇宙線観測所 (LHAASO)

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

最高エネルギー帯域における「Lasso」の高統計的観測により、さらなる謎が明らかになるだろう。科学者たちは、さらなる謎を解明すべく、「ラッソ」のデータを深く掘り下げようと、今も精力的に研究を続けている。宇宙に対する理解をさらに深めるためのさらなる観測研究成果にも期待しています。