2022 年 10 月 9 日、周回軌道上のスウィフト天文台は、異常に明るいガンマ線バースト GRB 221009A を初めて記録しました。
その後数か月にわたって、世界中の研究者がガンマ線の発生源を分析して、異常な天文現象の詳細を回収し、その発生源を見つけました。
天の川を背景にしたガンマ線バースト GRB 221009A の位置。画像: NASA のゴダード宇宙飛行センター
ガンマ線バーストとは何ですか?
ガンマ線バースト (GRB)天体物理学者は、非常に短い波長 (2⋅10−10 m 未満) と高エネルギーを持つ光子の流れであるガンマ線の短期バーストを呼びます。このような天文現象は膨大なエネルギーの放出を表しており、原則として遠くの銀河で記録されます。ガンマ線バーストは、宇宙で最も明るい出来事の 1 つです。
研究者らはガンマ線バーストを相対的に発見した最近：前世紀の60年代。 1963 年、NASA は中性子線、X 線、ガンマ線検出器を備えた軍事衛星 Vela を軌道に送りました。彼はソ連および他の国々による核実験禁止条約の順守を監視することになっていた。衛星の機器は核実験を検出しませんでしたが、深宇宙から放射されるガンマ線のバーストを偶然発見しました。
研究者は 2 種類のガンマ線バーストを区別します。短いものと長いものの持続時間が異なります。最初のカテゴリには、数ミリ秒から 2 秒続くフラッシュが含まれます。このような現象の原因は、キロノバの形成による 2 つの中性子星の合体、またはブラック ホールによる中性子星の吸収であると考えられています。
2 番目のタイプは、長いガンマ線バーストです。それらは数秒から数分続くことがあります。主な仮説は、ガンマ線の長時間バーストが超新星爆発と関連していることを示唆しています。超新星爆発は、星の進化の最終段階であり、その質量は太陽の 10 倍以上です。しかし2022年、ジェミニ天文台の天体物理学者らは、1年前に記録された長いガンマ線バーストGRB 211211Aの発生場所で、中性子星の合体後に形成されたキロノバの発見を報告した。
大質量星の崩壊に伴う長いガンマ線バーストのアニメーション画像。アニメーション: NASA のゴダード宇宙飛行センター
ガンマ線バースト GRB 221009A の何が異常ですか?
GRB 221009A のガンマ線バーストは五分。これは、それが長期バーストに属し、大質量星の中心部のブラックホールへの崩壊と超新星爆発に関連している可能性が最も高いことを意味します。驚くべきことに、ガンマ線バーストが最初に観測されてからこれまでに、研究者らは爆発現場での超新星形成を確認できず、代替放射線源も発見できていない。
また、スプラッシュはとても明るかったので、ほとんどの宇宙ガンマ線検出器は盲検化されていたため、放射線の実際の強度を直接捉えることができませんでした。研究者らは、フェルミ望遠鏡とコーン ガンマ線分光計によって収集されたデータを使用して、この情報を再構築しました。分析の結果、GRB 221009A は観測された他のガンマ線バーストよりも 70 倍明るいことが示されました。
GRB 221009A と、以前に記録された 4 つの最も強力なガンマ線バーストの比較。画像: NASA ゴダード宇宙飛行センターとアダム・ゴールドスタイン (USRA)
プロジェクトの天体物理学者によって実行された計算欧州宇宙機関（ESA）の「インテグラル」は、爆発が続いている間に約1ギガワットの電力が地球の大気の上層に落ちたことを示している。これは地上の発電所の電力に相当します。この出来事は非常に明るく、今でも波長の長い残光、つまり残光が見えるほどだった。
7,000のサンプルの分析フェルミとコーンによって記録された GRB は、このような大規模な GRB が 10,000 年に 1 回以上の頻度で発生するはずであることを示しています。ルイジアナ州立大学バトンルージュ校の研究者エリック・バーンズ氏は、「GRB 221009Aはおそらく人類文明の夜明け以来、最も明るいX線とガンマ線のバーストだった」と述べた。
ハッブル望遠鏡が捉えた GRB 221009A の残光。画像: NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan (ラドバウド大学);画像処理：グラディス・コーバー
天体物理学者は何を学んだか?
ガンマ線バーストの歴史をより正確に再構築するために、研究者らは、電波からガンマ線まで、さまざまな波長の電磁放射線を検出する機器を使用しました。
最初の科学的結果は、次のことを示しています。X線は、天の川に広がる塵雲を照らしました。研究者らは、放射線が銀河系に入るまで約19億年かけて銀河間空間を移動したと計算した。約6万年前に天の川の「郊外」で最初の塵雲と衝突し、最後の塵雲と約1000年前に衝突した。
X線が衝突するたびに塵雲とともに放射線の一部を散乱させ、外側に広がるように見える同心円状の輪を作り出しました。 ESA XMM-ニュートン宇宙 X 線望遠鏡は、ガンマ線バースト後数日間これらのリングを観測しました。近くの雲が最大の輪を形成したのは、遠近法で見ると雲が大きく見えるからだと科学者らは説明する。
X線望遠鏡で観測されたGRB 221009Aのダストリング。画像: ESA/XMM-ニュートン/M.リゴセリ (INAF)
天の川を旅する、X線私たちの銀河系の 20 個の塵雲を順番に照らしました。放射線分析は、それらまでの距離を計算し、それらを構成する粒子の特性を分析するのに役立ちました。
長年にわたり、研究者たちはいくつかのことを提案してきました。塵粒子の特性を説明するさまざまな理論。研究者らは、収集したデータにこれらのパターンを重ね合わせました。彼らは、粒子が主に炭素の結晶形であるグラファイトで構成されていることを示唆するモデルが観察に最もよく適合することを発見しました。
謎のソース
大量のデータが収集されているにも関わらず、このような明るいガンマ線バーストを正確に何が引き起こしたのかは依然として謎のままです。メインバージョンでは長いガンマ線バーストと超新星爆発がリンクされているため、研究者らはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡を使用して、将来の星雲の始まりを探索した。しかし、どの望遠鏡も爆発とされる現場で何も発見しなかった。
考えられる理由の 1 つは、GRBは、厚い塵雲が入射光を大きく曇らせる可能性がある、天の川面からわずか数度上空の空の一部に現れました。もしそうなら、おそらくさらなる観測が超新星の残骸を見つけるのに役立つでしょう。
ロングの主要コンポーネントの図最も一般的なタイプのガンマ線バースト。巨大な星（左）の核が崩壊し、ほぼ光の速度で星の物質を通って宇宙に移動する粒子の流れを送り込むブラックホールが形成されました。スペクトル全体にわたる放出は、生まれたばかりのブラックホール近くの高温電離ガス、ジェット内で高速移動するガスの殻間の衝突（内部衝撃波）、およびジェットが周囲を吹き飛ばして相互作用する際のジェットの前縁から発生します。 （外部からの衝撃）。画像: NASA のゴダード宇宙飛行センター
対立仮説は、星が非常に巨大だったので、最初の爆発の後、すぐにブラックホールが形成され、ガス雲を形成するすべての物質が飲み込まれました。
天体物理学者は遺跡の探索を続けている爆発する星。研究者らは現在、金などの重元素の痕跡を探している。重元素は、大質量星の核の崩壊に伴う強力な爆発で形成されると考えられている。
研究者らは、次のような可能性があるとも指摘しています。ガンマ線バーストの異常な力は、ブラックホールの形成中に放出されたエネルギーの噴流（ジェット）が直接地球に向けられたという事実によるものです。このような爆発による光の残光と偏光を分析することは、ジェットがどのように形成されるかをさらに知るのに役立ちます。
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表紙: ガンマ線バーストの芸術的なイラスト。画像: NASA/スウィフト/クルーズ・デワイルド