「ラソ」は、巨大な星の死の瞬間に発生する1兆電子ボルトのガンマ線バーストの全過程を完全に記録する

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。

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。

ラッソは初めて高エネルギー光子バーストの全過程を正確に測定

ラッソが収集した信号の詳細は、検出された光子が主爆発の余波から来たものであることを示している。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、「残光」が発生します。これはアフターグローとも呼ばれます。 **「『LASO』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フラックスの増強と減衰の全段階を記録しました。」 LHAASOプロジェクトの主任科学者であり、LHAASO国際協力グループのスポークスマンであり、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究員である曹振氏はこう語った。

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。

高エネルギー光子束の急速な増加は、ラッソによって初めて測定された。

「その後の爆発の間、『LaCe』は初めて光子束の急激な増加を検出しました。」論文の責任著者の一人であり、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究者であるヤオ・ジーグオ氏はこう語った。流量は 2 秒未満で 100 倍以上増加し、その後のゆっくりとした増加挙動は、その後の爆発の予想される特性と一致していました。このような早い段階での急速な強化は、これまでの理論モデルの予想を超えていました。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となるでしょう。

「ラソ」が史上最も明るいガンマ線バーストの秘密を発見

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、爆発後の噴出物がジェットのような構造をしており、放射角度がジェットの端まで広がると、明るさが急激に低下することで説明できます。」論文の責任著者の一人であり、南京大学の教授である王翔宇氏はこう述べた。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向いていたからこそ、このガンマ線バーストが史上最も明るい理由が自然に説明され、また、このような現象が極めて稀である理由も説明される。」論文の責任著者の一人であり、中国科学技術大学の教授である戴子高氏はこう述べた。

最高エネルギー帯でのラッソ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

このイベントの10分間に、ラッソが記録した光子の数は、過去数年間の「標準光源」であるかに星雲の観測の累計を上回りました。 「選択条件を最小限にすれば、光子の数は10万個に達する可能性がある！」論文の責任著者の一人であり、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究者であるチャ・ミン氏はこう語った。同じエネルギー範囲の他の実験装置、さらにはガンマ線バーストを追跡するために特別に設計された装置と比較しても、測定された光子の数はわずか1000未満であり、爆発から60秒以上経過した「残光」しか測定されなかった。 「現時点では、この爆発に関する新たな発見が他にもたくさんあり、科学者たちは『Lasso』のデータを深く掘り下げて、さらなる謎を解明しようと精力的に取り組んでいます。『Lasso』の今後のデータ分析結果をお待ちください。」曹振氏は、LHAASOの成果の次の段階に対して楽観的な期待を表明した。

図 1: Lasso はガンマ線バースト GRB 221009A を標準偏差の 250 倍を超える高い有意水準で観測しました。

図 2: ガンマ線バースト 221009A の固有スペクトルと観測スペクトル。5 つの期間で「LASSO」によって測定され、エネルギー範囲は約 2,000 億電子ボルトから 7 兆電子ボルトです。

図 3: 「LASSO」によって観測された 3000 億電子ボルトから 5 兆電子ボルトのエネルギー範囲における GRB221009A 残光放射の光変化プロセスとエネルギー スペクトルの指数関数的進化、および関数フィッティング。 「LASO」は、1000億電子ボルトを超えるガンマ線バーストの残光放射過程の完全観測に初めて成功し、残光放射過程の急速な成長現象を発見し、ガンマ線バーストGRB221009Aの残光放射過程の急速な減衰現象を発見した。

出典：中国科学院高エネルギー物理研究所