2017年、天文学者は初めて衝突する中性子星から重力波を検出した。爆発の光から膨大な量の重金属が検出され、天文学者たちは膨張する破片雲を監視し続けた。

研究者たちはこの出来事を研究し続けている。そして今、研究者たちは3次元コンピューター・シミュレーションを使って、この合体を1秒ごとに再現し、この破滅的な出来事における高エネルギーの騒乱と重元素の生成についての洞察を得た。

「我々のシミュレーションとキロノヴァAT2017gfo [GW170817としても知られる]の観測との前例のない一致は、爆発とその余波で何が起こったかを我々が大まかに理解していることを示している」と、ドイツのGSIヘルムホルツ重イオン研究センターおよび反陽子・イオン研究施設（GSI/FAIR）の科学者Luke J. Shingles氏は語った。Shingles氏は『Astrophysical Journal Letters』に掲載された新しい論文の筆頭著者である。

中性子星は、大昔に超新星爆発を起こした大質量星のコアが砕けて残ったものである。合体した星の質量は太陽の10パーセントから60パーセントであったが、幅は平均的な大きさの都市ほどもなかった。2つの星は1秒間に何百回もお互いの周りを回っていた。星が接近し、公転速度が速くなるにつれて、最終的に星はバラバラになり、合体してガンマ線バーストとキロノヴァと呼ばれるめったに見られない爆発を起こした。

この現象は2017年8月17日、LIGO-Virgo重力波施設によって観測された。宇宙望遠鏡のスウィフト、ハッブル、チャンドラ、スピッツァーミッションを含むいくつかの望遠鏡と、数十の地上観測所がこの出来事の余波を見守った。Pan-STARRSサーベイは、爆発によって拡大する破片の消えゆく輝きを捉えることができた。

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのEdo Berger研究員は、重力波と光の両方で観測されたこの事象の検出直後の記者会見で、「これらの観測は、周期表で最も重い元素の直接的な指紋を明らかにするものです。2つの中性子星の衝突によって、金とプラチナだけで地球の10倍の質量が生成されました。これらの物質がこの出来事から飛び出し、最終的に他の元素と結合して星、惑星、生命……そして宝石を形成することを考えてみてください」と、述べている。

現在、すべての観測所からのデータによって、研究者たちは初めて、重元素の何千万もの原子遷移を伴う中性子星の合体とそれに続く放射遷移を再現する3次元シミュレーションを作成することができた。

研究者たちによれば、3Dモデルを使えば、観測された光をどの方向から見ても予測できるという。例えば、2つの中性子星の軌道面に対してほぼ垂直に見た場合（キロノヴァAT2017gfoの観測結果が示すように）、モデルはAT2017gfoの観測結果と驚くほどよく似た一連のスペクトル分布を予測する。

「この分野の研究は、主に中性子星合体における急速な中性子捕獲過程によって生成された鉄より重い元素（白金や金など）の起源を理解するのに役立つでしょう」と、Shingles氏はプレスリリースで述べている。

その論文の中で研究チームは、鉄より重い元素の約半分は、極端な温度と中性子密度の環境の中で、キロノヴァのような事象の間に生成されると述べている。爆発は、「中性子捕獲とベータ崩壊の連続によって、不安定な中性子過剰の重い原子核を生成するために、ちょうどよい条件の物質を放出する。これらの原子核は崩壊して安定し、爆発的な “キロノヴァ “過渡現象、つまり約1週間で急速に減衰する明るい発光の動力源となるエネルギーを解放する」と、述べている。

研究者らは、この3Dシミュレーションは、高密度における物質の挙動、不安定な重い原子核の特性、重元素の原子-光相互作用など、物理学のいくつかの分野を組み合わせたものであると述べている。

さらに研究を進めることで、スペクトルの特徴を予測・理解する精度を高め、重元素が合成される条件の理解を深めたいという。

この記事は、NANCY ATKINSON氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。