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中性子星の衝突により、物理学者に衝撃を与えるほどの完璧な球体が生成される

天文学者は、“完璧な爆発”と表現される中性子星合体を観測した。

2017年に観測されたこの歴史的な中性子星衝突の余波の新しい分析によると、2つの星が生み出すキロノヴァは、完全に対称的でほぼ完全な球体であることがわかった。だが、なぜこれほどまでに完璧な球形を構成できたのか、天文学者は頭を悩ませている。それは、キロノヴァに関するこれまでの仮定とモデルのすべてに矛盾するものだからだ。

「誰も爆発がこのような形になるとは予想していませんでした。球のように球状であることは理にかなっていない。」と、デンマークのニールス・ボーア研究所のDarach Watson氏は述べている。

キロノヴァの存在は1974年に初めて提唱され、2013年に確認された。しかし、今になってようやく、その姿が世界中に知られるようになった。

キロノヴァ(英: kilonova, macronova)は、高密度の天体が融合する際に起こる大規模な爆発現象のことである。白色矮星の爆発によって生じる新星(nova)の約1,000倍の明るさに達することからキロノヴァ(kilonova)と呼ばれる。超新星(supernova)と比べると10分の1から100分の1程度の明るさだ。

研究者らは、彼らが観測した巨大な火球は、彼らの予想を大きく上回ったと述べている。合体した2つの中性子星は、合計で太陽のおよそ2.7倍の質量を持ち、衝突する前に何十億年も互いの周りを回っていたというのだ。

この大爆発は、地球からおよそ1億5000万光年離れたNGC 4993という銀河で起こった。そして2017年に初めて検出され、今日まで詳細に研究されてきた。

研究チームは、合体した2つの中性子星が光速の約25%の速度で衝突したと計算した。その衝突により、宇宙で最も強い磁場が発生したという。明るさも相当なもので、爆発によって生じた光は、太陽約10億個分の光度だったとのことだ。

研究者チームは爆発は平らな円盤のように見えるかもしれないと予想していた。だが、実際には完璧な球体になっていたということで、私たちがまだ理解していない物理の原理が働いている可能性があることを示唆している。

「2つの超小型の星が、衝突する前に1秒間に100回互いに公転しているのです。我々の直感とこれまでのすべてのモデルは、衝突によって生じた爆発雲は平坦で、むしろ非対称な形状であるべきだと言っています。」と、と、コペンハーゲンのニールス・ボーア研究所の博士課程に在籍する研究リーダー、Albert Sneppen氏は述べている。

「このような爆発は誰も予想していませんでした。球のように球状であることは理にかなっていません。しかし、我々の計算では、明らかにそうなっています。これはおそらく、過去25年間検討してきたキロノヴァの理論やシミュレーションには、重要な物理が欠けていることを意味します。」と、Watson氏は報道発表で説明している。

「爆発が球形になる最も可能性の高い方法は、爆発の中心から大量のエネルギーが吹き出し、そうでなければ非対称になるような形状を滑らかにする場合です。ですから、球状になったことは、おそらく衝突の中心部に予想外の大きなエネルギーがあることを物語っています。」と、Sneppen氏は言う。

中性子星が衝突すると、中性子星は一体化し、一時的に1つの超巨大中性子星となり、その後ブラックホールに崩壊する。研究者たちは、この崩壊の中にこそ、秘密の大部分が隠されているのではないかと推測している。

(Credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

「超巨大中性子星がブラックホールに崩壊するときに、巨大な磁場のエネルギーが放出され、その瞬間に一種の “磁気爆弾 “が生成されるのかもしれません。磁気エネルギーの解放により、爆発に伴う物質の分布がより球状になる可能性がある。その場合、ブラックホールの誕生は非常にエネルギッシュなものになるかもしれません。」と、Watson氏は説明する。

合体した中性子星は、一瞬、一つの巨大な中性子星となり、その後、ブラックホールに崩壊した。このときの激しい密度と温度によって、金、白金、ウランなどの重元素が生成された可能性が高い。研究者らは、爆発の形状が球形であったのは、ニュートリノや圧倒的な磁力のおかげではないかと推測している。しかし、研究者たちは、今回新たに観測された巨大な爆発は、世界中の天体物理学者たちが、その力を理解するためにもう一度初心に戻らなければならないことを認めている。


論文

参考文献

研究の要旨

中性子星の合体は、重元素に富む火の玉を放出し、キロノヴァとして観測されることがある。キロノヴァの形状は、超高密度物質の性質とブラックホールへの崩壊のエネルギー論によって決定され、合併の重要な診断材料となる。現在の流体力学的な合併モデルでは、一般的に非球形の噴出物が見られる。以前、重力波事象GW170817に関連する唯一のよく研究されたキロノヴァAT2017gfoのスペクトルでSr+が同定された。ここでは、強いSr+P Cygni吸収発光スペクトルの特徴とキロノヴァのスペクトルの黒体的性質を組み合わせて、キロノヴァが早い時期に非常に球形であることを決定した。また、線状解析と既知の天体の傾斜角を組み合わせることで、同じ球形性を独立に示すことができた。このことから、放射性崩壊によるエネルギー注入では、放出物の球形化には不十分であると結論づけられる。ブラックホール円盤からのマグネター風やジェットによって、放出物全体の球形化には十分なエネルギーが注入される可能性があるが、元素分布を一様にするためには、さらに別のプロセスが必要なようだ。

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