正体不明の天体現象「超高輝度超新星」の謎を鮮やかに説明する新理論が登場!

space 2020/02/03
超新星SN 2006gyの想像図 /Credit:NASA/CXC/M.Weiss
point
  • 非常に明るい超高輝度超新星「SN 2006gy」の原因を、初めて無矛盾で説明できる理論モデルが発表された
  • 従来この現象は大質量星の爆発と考えられていたが、Ⅰa型超新星であることが明らかにされた
  • この超新星は、白色矮星と恒星の合体から生じると考えられ、連星の激しい衝突を理解する鍵となる

超新星は、星がその生涯の最後に起こす大爆発で非常に明るい天文現象です。

この超新星の中でも、極端に明るい現象が超高輝度超新星と呼ばれ、通常の10倍近い明るさを持っています。それはX線撮影した場合、所属する銀河核と見分けがつかなくなるほどの明るさです。

これを通常の重力崩壊による超新星爆発として考えた場合、原因となる恒星は太陽の数百倍の質量でなくてはなりません。しかし、そんな天体は明確に観測されたことがないものでした。

新たな研究は、2006年に観測史上最大の明るさを記録した超高輝度超新星「SN 2006gy」を再解析して、この現象のメカニズムに説明が付いたと報告しています。

その報告によると、超高輝度の超新星は、白色矮星と太陽系サイズの赤色巨星の合体で起きているといいます。

この研究論文は、マックス・プランク宇宙物理研究所、京都大学、広島大学などの研究者グループより発表され、1月20日付けで科学雑誌『Science』に掲載されています。

A type Ia supernova at the heart of superluminous transient SN 2006gy
https://science.sciencemag.org/content/367/6476/415

超高輝度超新星の謎

Credit:nature video/How to blow up a star

2000年代以降、超新星に関する研究や観測が発展し、その結果、これまで知られていなかったタイプの新しい超新星が発見されました。

その中でも特に重要視されているのが「超高輝度超新星」と呼ばれる、通常の超新星の10倍以上の明るさを持つ超新星です。

これは放射されるエネルギー量が通常の超新星の100倍に達します。

なぜこのような飛び抜けて明るい超新星が起こるのか? それは一体どういう天体が起こしているのか? 多くの天文学者たちがその謎に興味を向けました。

超新星爆発には、大きく分けて2つのタイプが存在しています。

それは非常に重い星が重力崩壊して起こるⅡ型超新星と、白色矮星が連星から物質を奪い取って熱核爆発を起こすⅠa型超新星です。

最近良く話題にあがるベテルギウスは、もし爆発した場合、Ⅱ型超新星に分類されます。

Ⅱ型超新星の原因となる重い星の重力崩壊(左)。Ⅰa型超新星の原因となる伴星から物質を奪う白色矮星。(右)/Credit:nature video/天文学辞典

これは超新星の放つ光のスペクトルを分析することで見分けることができます。

Ⅱ型超新星では、水素に覆われた巨星が爆発するので水素のスペクトルが強く観測されます。一方、Ⅰa型超新星では鉄や珪素のスペクトルが強く観測されるのです。

超高輝度超新星では、Ⅱ型超新星と同様の水素のスペクトルが見つかりました

Ⅱ型超新星では、巨大化した星が放ったガスなどの周辺物質と、爆発で放出された物質がぶつかりあい、その衝撃で爆発エネルギーが光エネルギーへ変換され輝きます。

この場合、エネルギーの変換効率は10%程度と考えられています。このことから、超高輝度超新星は通常の超新星の10倍以上の爆発エネルギーを持つ、特異な現象と推測されました。

超新星から確認された未知のスペクトル

チャンドラ望遠鏡で撮影された「超高輝度超新星SN 2006gy」(右上)と「銀河NGC 1260」の核(左下)/Credit:NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smith et al.

超新星「SN2006gy」は、地球からは2億3800万光年離れた銀河「NGC1260」で、2006年に発見された天体です。

通常の10倍以上の爆発エネルギーを放つこの超新星は、太陽の数百倍という質量を持つ恒星の超新星爆発ではないかと考えられていました。

研究者が着目したのは、「SN2006gy」の爆発から400日以降のスペクトルデータでした。

爆発直後は外層部の輝きが強いため、爆発の中心で何が起きていたのか知ることは困難です。超新星がかなり暗くなった後の観測なら、超新星で放出された物質そのものを確認できると考えたのです。

超高輝度超新星 SN2006gy のすばる望遠鏡による爆発100日後と400日後の観測画像。/Credit:京都大学,広島大学プレスリリース資料,Koji Kawabata

その結果検出されたスペクトルは、当時の理論予想とは一致しない結果になりました。

そこには通常の超新星では見られない、未知のスペクトルが存在していたのです。

さらに観測されたスペクトルの幅が非常に狭いことから、物質の放射された速度も、通常の超新星の10〜15%と非常に低速であった可能性が示されました。

研究グループは、このスペクトルの謎解明が、超高輝度超新星の正体を特定する鍵だと考え再解析を行ったのです。

新しいシナリオ

スペクトルの形成理論による解析の結果、未知のスペクトルは中性鉄であることがわかりました

中性鉄とは電荷を帯びていない電気的に中性な鉄のことです。通常、超新星爆発では鉄はイオン化されてしまうため、中性鉄は発見できません

このスペクトルを説明するためには、通常の超新星爆発の100倍以上という高密度の環境で、太陽質量の0.3倍以上の鉄が放出されたと考えなければなりませんでした。

この量の鉄の放出は、従来考えられていた大質量の星が重力崩壊を起こす、Ⅱ型超新星では説明できません。この爆発では鉄の放射はほぼない(太陽質量の0.1倍以下)ためです。

この痕跡は、ここで起きた超新星がⅠa型超新星(白色矮星が核暴走爆発)だったことを示していました

高密度環境の原因は、爆発による物質の放射が非常に低速であったというデータから説明がつきます。速度が遅くなれば、多くの物質が狭い空間に溜まっていくことになるため、高密度の状態が生まれます。

スペクトルの幅から予想された通常の15%程度の放出速度は、密度が300倍まで圧縮されたことを示しています。

これらの証拠から、研究者たちは超高輝度超新星が、大質量星の超新星爆発ではなく、小質量の星(太陽質量程度)が超新星爆発を起こし、放出された物質が大量の星周物質(星を取り囲むガスなど)に衝突したのだと考えました。

これは「SN2006gy」の超新星に見られた光度進化(明るさの変化)と一致しており、後期スペクトルの理由も説明出るモデルです。

このことから考えられる「SN2006gy」の正体は、太陽系サイズの水素が豊富な赤色超巨星の周りを地球程度の白色矮星が回っている連星であったというものです。

赤色巨星と白色矮星の連星のイメージ。/Credit:NASA,Casey Reed

赤色巨星は恒星の晩年の姿です。このとき星は内部の核融合を終えて外層で水素の核融合を起こして大きく膨れ上がります。

渦を巻くようにこの赤色巨星と軌道を描いていた白色矮星は、膨張した赤色巨星に飲み込まれてしまいます。このとき白色矮星と巨星は共通外層という現象を起こします。

共通外層の形成イメージ。巨星(左)に主星の白色矮星(右)が飲み込まれ不安定な質量移動が起きる。/Credit:derivative work: Trex2001,Wikipedia Commons

この現象によって白色矮星がどうなるかは、よくわかっていません。しかし、今回の研究は、最後的に白色矮星が巨星の核と合体し、Ia型超新星爆発を起こすというシナリオを提唱しました。

そこで起きた爆発は、赤色巨星の内部なので、非常に低速で物質を放出させることになります。

そして、赤色巨星の外層にぶつかり激しい輝きを放つのです。あとに残されたのは大量の中性鉄でした。

このシナリオは、今後、Ia型超新星爆発の進化経路や、まだ未知の部分が多い共通外層といった物理現象を解明していく鍵になると期待されています。

今回の研究は、数々の観測データを元に、まったく未知の現象をまるで探偵のように明らかにしていく天文学者たちの手腕をよく伝えてくれているものです。

遥か遠い宇宙で起きた出来事を地球から明らかにしていく。ミス・マープルも真っ青なすごい推理力です。

話題のベテルギウスの明暗を捕らえた! 最期に爆発する星って、実はレアなの知ってた?

reference: 京都大学,広島大学, nature asia/ written by KAIN
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