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NASAは、2つの中性子星が合体して超重量級中性子星になり、さらにそれが崩壊してブラックホールに変化するという、急激な進化を遂げる過程を発見した。

NASAのブログでは、この過程はほんの数秒しか続かなかったが、中性子星の過渡的な性質と巨大ブラックホールの進化について多くのことを教えてくれると説明している。

ガンマ線バースト(GRB)は、人類が目撃した最も強力な爆発現象であり、ビッグバン以降で最も強力な爆発と考えられている。一方、中性子星は、大質量の星が燃料を使い果たし、自分自身にぶつかって崩壊し、非常に高密度でコンパクトな星を形成したものである。ある質量以上の星は、通常、太陽よりも大きな質量を山手線の内側の大きさに詰め込むことで、ブラックホールになる。

科学者たちは、NASAのニール・ゲーレルス・スウィフトフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡コンプトンガンマ線観測衛星が検出した700個の短いGRBからGRB信号を探した。ただし、コンプトンは2000年に地球の大気圏で脱軌道して燃え尽きたのでもう存在しない。

研究者たちは、1990年代初頭にコンプトンが観測した2つのバーストにおいて、2つの中性子星が衝突し、最終的にブラックホールを形成したことを示すガンマ線パターンを発見した。

「我々は、軌道上の中性子星が衝突したときに短いGRBが形成され、それらが最終的にブラックホールに崩壊することを知っているが、イベントの正確なシーケンスはよく理解されていない。ある時点で、生まれたばかりのブラックホールは、高速で動く粒子のジェットで噴出し、光の中で最もエネルギーの高い形であるガンマ線の強烈な閃光を放ちます。我々は、それがどのように発展するのかをもっと学びたいと思っています。」と、UMCPの天文学の教授と論文の共著者であるCole Miller氏は述べている。

NASAによると、超重量級中性子星は1分間に78,000回近く回転しており、これまで観測された最速のパルサーであるJ1748-2446adのほぼ2倍の速度であることが分かっている。この高速回転により、さらなる崩壊に対してごく短時間だけ自らを支えることができる。しかし、中性子星は、ブラックホールに崩壊するまでのコンマ数秒しか存在出来なかったという。

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このアニメーションでは、カラフルな円盤状のガスの中心で中性子星(青い球)が回転し、その一部が磁場(青い線)に沿って天体の表面に流れ(青と白の円弧)ている。これらの天体で見られるX線の準周期振動の解釈の一つは、円盤の内縁付近にホットスポット(白い楕円)が形成され、その性質が変化することによって膨張・収縮しているというものだ。このホットスポットは不規則な軌道を描いているため、発光はある範囲の周波数で変化する。 (Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

短いものでは2秒程度だが、10億光年以上離れた場所でも検出できるほど強力なものだ。一方、中性子星の合体は重力波を発生させ、地球上の地上観測装置で検出することができる。

研究チームはコンピュータ・シミュレーションにより、中性子星が合体する際に予想される重力波の周波数の変化を、GRBの観測に応用できることを発見した。これにより、多くの重力波観測装置では検出できないような暗い合体星を検出することができた。この大質量合体星をあげた2つの短いGRBは、1991年7月11日と1993年11月1日に発生した。

2030年代には、重力波観測装置の感度がさらに向上し、中性子星のはかない存在について新たな知見が得られると期待されている。それまでは、コンピュータ・シミュレーションと組み合わせたガンマ線観測が、宇宙天体に関する最も深い知識を与えてくれるだろう。


論文

参考文献

研究の要旨

短ガンマ線バースト(GRB)は連星中性子星の合体に伴うもので、重力波とマルチバンド電磁スペクトルの両方で観測されているマルチメッセンジャー天体イベントである。連星に含まれる星の質量や、ほとんど未知の状態方程式の詳細に依存して、ダイナミックに進化する短寿命の中性子星が合併後に形成され、ブラックホールに崩壊するまでのおよそ10-300ミリ秒の間存在する可能性がある。異なるグループによる数値相対性理論シミュレーションでは、一貫して、合併後の重力波信号において1-5kHzの広いパワースペクトル特徴を示している。これは現在の重力波検出器でアクセスできないが、今後10年間に予定されている将来の第3世代の地上検出器で見られるかもしれない。このことは、中性子星が最終的にブラックホールに崩壊する直前に形成される事象のサブセットにおいて、放出されるガンマ線に準周期的な変調が生じる可能性を示唆している。ここでは、Burst and Transient Source Experiment (BATSE)のアーカイブデータからGRB 910711とGRB 931101Bという短いバーストに確認された、数値相対性理論からの予測と一致する2つのそのようなシグナルを紹介する。

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