JWST、近くの超新星に関する数十年来の謎を解決

JWST、近くの超新星に関する数十年来の謎を解決

ジョナサン・オキャラハン

40年近く前、地球の住人は珍しい宇宙の光景、つまり肉眼でも見える空で爆発する星を目の当たりにしました。 超新星 1987A (SN 1987A) と呼ばれるこの現象は、過去 4 世紀で最もそれに近い出来事でした。 それ以来、天文学者たちは、放射性の灰と白熱ガスの膨張する星雲の中に覆われた超新星の中心近くに潜んでいるに違いないとわかっている恒星の残骸を観察しようと努めてきた。 今回、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の力のおかげで、科学者チームはついにそのとらえどころのない採石場を発見し、爆発によって星の光を飲み込むブラックホールではなく、非常に密度の高い中性子星が生じたという疑惑を裏付けた。

この発見は木曜日に発表された。 科学は、JWST の前例のない赤外線機能を使用して、SN 1987A を囲むベールを突き破り、文字通り新しい光で見ることができるようにしました。 スウェーデンのストックホルム大学のクレス・フランソン率いる天文学者たちは、星の消滅によって残された残骸の中心部を覗いて、イオン化したアルゴンと硫黄の痕跡を見つけた。つまり、何らかの外力によって衝撃を受けて電子が破壊された元素の証拠だ。剥ぎ取られた。 これらのエネルギーを帯びた元素は、近くの中性子星からの強い紫外線や X 線の衝突によって形成されない限り、SN 1987A の「爆心地」の近くに存在するとは予想されません。 摂食ブラックホールが放射線を噴出させるという現象もこの結果を説明できる可能性があるが、30年以上にわたる観測ではSN 1987A内にそのような兆候が他に見られなかったため、JWSTの結果は中性子星の存在のほぼ確実な証拠となった。

ウェールズのカーディフ大学の天体物理学者、松浦美加子氏は「非常にエキサイティングだ」と語る。松浦氏はこの研究には関与しておらず、2019年にはこの超新星から中性子星が見つかるだろうと示唆していた。 「これはおそらく、超新星 1987A に中性子星が存在したことを示す最も強力な証拠です。」

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SN 1987A は、1987 年 2 月 23 日に、地球から約 16 万光年離れた天の川銀河の矮小衛星銀河である大マゼラン雲で爆発しました。 1604 年のケプラーの超新星以来、私たちの惑星のこれほど近くで超新星が観測されたことはありませんでした。この超新星は、約 20,000 光年の距離で私たちの銀河内で星が爆発しました。 SN 1987A は当初、空が突然明るくなったことで発見されましたが、超新星爆発の最初の兆候は、閃光の数時間前に地球上に押し寄せたニュートリノの爆発によるものであることが判明しました。 地球上に点在するニュートリノ観測所で記録されたこのバーストは、散在する星の残骸のどこかに中性子星が形成されたことを示す決定的な証拠でした。 さらなる分析により、SN 1987A の祖先は太陽の約 18 倍の質量を持つ青色超巨星であった可能性が高いことが判明し、中性子星である可能性が高まった。重いが、ブラックホールを容易に形成するにはまだ軽すぎる。

超新星は主に 2 つの方法で発生します。1 つは、星が小さな伴星から物質を吸い上げすぎて爆発する場合です。これにより、ケプラーの超新星などの Ia 型超新星が発生します。 もう 1 つの種類の超新星、つまり SN 1987A などのタイプ II 超新星は、非常に重い星が、その深部から吹き出す光の外向きの圧力によって自重で崩壊するのを防がれていたが、その中心部の燃料が突然枯渇したときに発生します。 。 それを支える星の光が余らないため、星の外層は内側に向かって中心部に落ち、その後跳ね返って外側に爆発し、衝撃波が周囲の物質に波紋を送ります。 このプロセスは、銀河全体に相当する星よりも多くの光を急速に放出し、太陽質量の核を都市サイズの超高密度の球体、つまり中性子星に押しつぶすことができます。 最初の星が特に重い (20 太陽質量以上) 場合、結果としてより重い中性子星が崩壊してブラック ホールになります。

中性子星がこれほど比較的近くにあることは科学的に興味深いことだと、この研究には関与していない英国のセントラル・ランカシャー大学のジョアン・プレジャー氏は言う。 「中性子星では物理学が異なります」と彼女は言い、これらの天体の極度の重力場が内部を圧迫して物質のエキゾチックな状態を作り出し、周囲の時空構造を大きく歪めていると指摘する。 「中性子星、特によく研究できる近接中性子星を検出できれば、実験室では再現できない領域の物理法則を理解し始めることができます。」

天文学者たちはすでにSN 1987Aがブラックホールを残していないと疑っていましたが、それを確かめたかったのです。 フランソン氏らは、JWSTが初めて科学活動を開始した2022年7月に、超新星の中心近くで目立つイオン化したアルゴンと硫黄の特徴的な兆候を観測した。 「[SN 1987A] は最初に観測された天体の一つでした」と、JWST が超新星の余波を約 10 時間研究しているフランソン氏は言う。

「それらを生み出すことができる唯一のエネルギー源は、 [signs] は中性子星です」と、研究の共著者であるアイルランドのメイヌース大学のパトリック・カバナー氏は言う。 ブラックホールが同じことをするためには、証拠のない源（別の星など）からの物質を貪欲に摂食する必要がある。 「私たちはさまざまな可能性をすべて評価したと自信を持っています」とカバナー氏は言う。 「中性子星の存在以外はすべて除外しました。」

イオン化した物質が発する光を注意深く解析すると、中性子星が正確にはSN 1987Aの中央にないことがわかります。 むしろ、超新星からの「キック」を受けたため、わずかにオフセットされています。 星が爆発したとき、わずかな不均衡があれば、噴出物質の多くがどちらかの側に移動し、風船から絞り出された卵のように中性子星が反対方向に反動する原因となったでしょう。 観測によると、中性子星は大変動の誕生の場所から約5000億キロメートル離れ、私たちに向かってわずかに移動している。 「キックの速度は秒速約 400 キロメートルです」とカバナー氏は言います。これは地球上の私たちにとっては考えられないほど速い速度ですが、それでも、膨大な光年に対しては氷のように遅いのです。

明らかでないのは、SN 1987A の残骸が存在するかどうかです。 ただ 中性子星。 代わりに、それはパルサー、つまり非常に高速で回転する中性子星であり、その極からエネルギーの流れを発射し、宇宙の灯台の光のように空の帯を横切ります。 「パルサーが存在するとしても、ビームは私たちに向けられていないので、それを検出することはできません」と天体物理学センターのイベット・センデスは言う。 ハーバード大学とスミソニアン大学はこの研究には関与していなかった。 しかし、別の方法で知ることができるかもしれません。 標準的な中性子星のシナリオでは、星の残骸からの純粋な熱が非常に強力であるため、イオン化したシリコンの標識が形成され、膨張する雲の中でさらに遠くに散乱されます。 放出が熱によって支配されるのではなく、最も内側のデブリに衝撃を与える電子やその他の粒子の風によって支配されるパルサー モデルでは、イオン化したシリコンはさらに希少になるはずです。 したがって、SN 1987A の周囲でシリコンを検出してマッピングできれば、「両者を区別できる」とカバナー氏は言う。 2023年の秋と今週初めにチームによって行われたまだ公表されていない追跡調査のJWST観察には、その答えが含まれている可能性があります。

これらの観測は、II型超新星爆発後の最も初期の瞬間についての新たな洞察を提供します。 「中性子星の形成をこれまで見たことがありません」とフランソン氏は言う。 これで、この宇宙的に若い天体を JWST や他の望遠鏡でさらに研究することで、天文学者はこれらの不可思議な星の出来事についてさらに詳しく知ることができるはずです。 「私たちの銀河系で超新星が見られるまでは、これが私たちがこれから観測する中で最もよく研究されたものになるでしょう」とセンデス氏は言う。