30光年離れた星が爆発する。数か月間、満月の 10,000 倍の明るさで輝きます。日中は太陽が別の太陽と結合したかのように見えるほど明るいので、100 分の 1 の熱と光が放出されます。
幸いなことに、このシナリオは起こらないため、今夜はゆっくり眠ることができます。地球上の生命は、そのような出来事から安全です。これまでに知られている恒星爆発の最大 100 倍の強力な超光度超新星は、非常にまれであるだけでなく、私たちの銀河とはかなり異なる銀河で爆発するように見えます。
1931 年、パサデナのカリフォルニア工科大学で働いていたフリッツ ツウィッキーとウォルター バーデは、星の爆発、つまり「新星」について驚くべき主張をしました。彼らの研究は、8 年前にエドウィン ハッブルが世界最大の望遠鏡 (カリフォルニア工科大学を見下ろすウィルソン山にある 2.5 m フッカー望遠鏡) を使用して、神秘的な渦状星雲が実際にあったことを示した発見に基づいています。銀河 – 天の川から離れ、何百万光年も離れた星々の大きな島。
ツヴィッキーとバーデは、そのような銀河が、通常の 1,000 億個の恒星を凌駕する恒星爆発を起こすことがあることに気付きました。そのような爆発が私たちの銀河系の爆発よりはるかに遠くにあることを知っていた 2 人の天文学者は、それらが「超新星」と呼ばれる新しいクラスに属していると結論付けました。
超新星について詳しく読む:
- 星の合体により、これまでに見られた中で最も明るい超新星が発生
- 超新星爆発を引き起こすのは何ですか?
- 低質量超新星が太陽系の誕生を引き起こした
超高輝度超新星とは?
光度の最近の飛躍は 1000 万倍ほど大きくはありませんが、それでも印象的です。超光度超新星は、伴星からの物質に圧倒された白色矮星 (地球と同じくらいの大きさのコンパクトな星の残骸) の星を粉砕する爆発によって動力を与えられている Ia 型超新星の約 10 倍の明るさです。そして、もう 1 つの主要なタイプの超新星である II 型超新星の約 100 倍の威力があります。この超新星は、寿命の終わりに大質量星のコアが爆縮することによって動力が供給されます。
最初の超高輝度超新星は 2005 年に発見され、主にサンディエゴ州立大学のロバート クインビー教授の研究によって、2011 年に恒星爆発の明確なクラスとして広く認識されました。
彼らの存在は、天文学界に大きな衝撃を与えました。バーミンガム大学の Matt Nicholl 博士は次のように述べています。 「どうして私たちは最も明るいものを見逃したのですか?」
超光度の超新星が 21 世紀になるまで気づかれなかった理由の 1 つは、超新星が 10,000 個の超新星につき約 1 個しかなく、非常にまれであることです。もう 1 つの理由は、望遠鏡を使った超新星探索は大きな銀河に集中する傾向があったことです。天文学者は、当然のことながら、銀河内の星が多いほど、超新星になる可能性が高くなると考えています。
しかし、自然には別のアイデアがありました。矮小銀河に超光度の超新星をもたらしたのです。 「広い視野を備えたロボット望遠鏡の出現によってのみ、矮小銀河が私たちのネットに捕らえられました」とニコルは説明します。 「それが起こり始めると、私たちは超光度の超新星を発見しました。これまでに約 100 個が見つかっています。」
超光度超新星の原因は?
このような宇宙のメガ爆発として爆発している星はどのようなものですか?最大の手がかりは、爆発のスペクトルから得られます。これは、光がエネルギーまたは同等の周波数で変化する方法です。天文学者は、炭素、酸素、ネオンなどの重い元素のスペクトルの指紋を見ることができますが、水素とヘリウムの最も軽い 2 つの元素については見ることができません。これが何を意味するのかを理解するには、星の進化について何かを理解する必要があります.
太陽のような星は、水素原子のコアまたは原子核を融合させてヘリウムを生成し、その副産物が太陽光です。しかし、太陽の 8 倍から 25 倍の質量を持つ星では、中心部の状態が十分に高密度で高温になり、ヘリウムが炭素に、炭素が酸素に、酸素がネオンに、などのように融合する可能性があります。潜在的に、このような核融合反応は鉄までずっと進行し、その時点でそれ以上の熱の生成を停止する可能性があります (中心部の高温ガスは、もはや重力がそれを押しつぶすのを止めることができず、即座に内破します)。
その結果、タマネギのような構造を持つ星ができます。最も重い元素がコアにあり、連続する各層には軽い元素が含まれ、ヘリウムで最高潮に達し、最後に外側マントルで水素になります。 「どういうわけか、超光度の超新星として爆発する星は、この水素とヘリウムを失いました」と Nicholl は言います。
星が水素とヘリウムの外側マントルを剥ぎ取られる明白な方法は、太陽から吹く時速 1,000,000 マイルの太陽風に似ていますが、それよりもはるかに強力な恒星風によるものです。
問題は、水素とヘリウムのマントルに少量の重元素が混ざっている星では、恒星風が強くなることです。しかし、超光度超新星の前駆体が位置する低質量銀河には、そのような元素が不足しています。これは基本的に、銀河の弱い重力が、以前の世代の星で形成され、通常の超新星によって宇宙に吹き飛ばされた重元素に固執できなかったためです。
星が水素とヘリウムのマントルを剥ぎ取られるもう 1 つの方法は、近接した連星系にあり、巨大な伴星の重力によってそれが剥ぎ取られた場合です。 「これが最も可能性が高いようです」と Nicholl は言います。
パワーはどこから来るの?
もちろん、64,000 ドルの質問は次のとおりです。これらの巨大な星の爆発の原動力は何ですか?明らかな可能性は、それらが標準的な超新星の単なる強化バージョンであり、その動力源が最終的に重力エネルギーであるということです。
重力エネルギーを理解するには、スレートが屋根から地面に落ちることを考えてみてください。スレートの重力ポテンシャル エネルギー (地球の重力場での高さに起因するエネルギー) は、運動、音、熱のエネルギーに変換されます。同様に、星の核が内破すると、無数の千兆枚の石板が落下するようになり、膨大な量の重力エネルギーが大量の熱に変換されます。皮肉なことに、爆発を引き起こすのは内破です!
超光度の超新星では、スペクトルは 5 ～ 20 太陽質量の酸素が放出されることを示しています。これに対し、Ic 型超新星では、水素とヘリウムが取り除かれた標準的な星で発生し、太陽質量の 2 から 4 倍の酸素が放出されます。
これは、恒星は通常の超新星爆発の原因となる恒星の数倍の大きさしかないため、通常の爆発で 10 倍の明るさになる可能性は低いということです。
超光度の超新星が標準的な超新星の単純な強化版ではない理由の決定的な要因は、通常の超新星が 1 か月ほど明るいままであるということです。初爆。 「しかし、超光度の超新星を発生させるには、そのような元素の太陽質量の 20 倍程度が必要です」と Nicholl は言います。 「太陽質量の約 20 倍の酸素が観測されていますが、同等の量のニッケルとコバルトは観測されていません。」
超光度超新星の別のメカニズムとして考えられるのは、爆風が宇宙空間を秒速約 10,000 km で膨張し、爆発の少し前に恒星から放出されたゆっくりと動く星周物質の殻に激突することです。爆風が急速に減速すると、噴出物に非常に効率的に衝撃熱が伝わり、その運動エネルギーが途方もない量の熱と光に変換されます。
「問題は、超光度超新星のスペクトルに動きの遅いものの証拠が見られないことです」と Nicholl は言います。
これにより、超光度超新星のエンジンの最終候補が残ります。コアが収縮すると、終点は中性子星などの非常にコンパクトなオブジェクトになります。太陽に匹敵する質量を持つが、エベレスト山のサイズにすぎないこのような物体は、腕を引っ張るアイススケーターがより速く回転するのと同じ理由で、速く回転すると予想されます。つまり、角運動量の保存です。実際、そのような物体は 1 秒間に 1,000 回も回転している可能性があります!
「そのような並外れたはずみ車は、そのエネルギーを外部に伝達する方法があれば、超光度の超新星にエネルギーを与えるのに十分な回転エネルギーを持っています」と Nicholl は言います。 「幸いなことに、あります。」
星の核が壊滅的に内破すると、星が持っていた磁場が非常に集中して増幅されます。中性子星は途方もない磁場で終わるかもしれません - これらの中性子星は「マグネター」として知られています。このようなマグネターの磁場は、10 (1 兆) から 10 (1,000 兆) ガウス (磁場を測定する単位) の範囲になる可能性があります。比較のために、最小の磁場でさえ、冷蔵庫の磁石の 1000 億倍の強さがあります。
問題は、磁場が大きくなるほど、周囲の物質との相互作用が大きくなり、この相互作用がマグネターの回転をより速く「ブレーキ」することです。 「超新星の明るさを約 1 か月間観測し続けるには、より低い磁場が必要です」と Nicholl は言います。 「約 10 ～ 10 ガウスにスイート スポットがあります。」
マグネターが星から放出された物質にエネルギーを供給する正確なメカニズムはまだわかっていません。しかし、ニコルは、マグネターを中央エンジンとする考えを証明または反証する方法があると述べています。その磁場は非常に強いので、周囲の真空から電子-陽電子対を呼び起こし、その後の対消滅により、高エネルギー光またはガンマ線の特徴的なスパイクが発生するはずです。 「ガンマ線の減衰は、マグネターのスピンダウンを正確に追跡する必要があります」と Nicholl は言います。
「マグネターモデルは、ほとんどの超光度超新星に電力を供給するためのオッズオンのお気に入りだと思います」とクインビーは言います。 「いくつかの超新星は中性子星の誕生を示しており、そのような獣からエネルギーのほんの一部を取り出すだけで、いくつかの素晴らしい花火を生み出すのに十分なはずです.」
しかし、誰もがマグネターが超光度超新星のエンジンであることに同意しているわけではありません。 「エネルギーの高い超新星からの噴出物が大質量の星周物質と衝突し、超新星の運動エネルギーが効率的に放射線に変換されるメカニズムを私は支持します」と国立天文台の森谷隆博士は述べています。しかし彼は、「超新星を非常に明るくするメカニズムは 1 つも存在しない可能性がある」と認めています。
超光度の超新星を探す
最初の 100 個の超高輝度超新星を発見するのにほぼ 20 年かかりましたが、2023 年 10 月にチリで運用が開始されるベラ C ルービン天文台によって、発見率はすぐに向上します。 「この能力はフィールドを完全に変えるでしょう」とニコルは言います。 「15 年間で 100 個ではなく、毎年 1,000 個の超光度の超新星を発見できると期待しています!」
ハッブルの後継である NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡によって、さらに食欲をそそる見通しが提供されます。 6.5m のミラー (ハッブルの収集領域の 4.5 倍) を使用すると、超光度の超新星をより遠くから検出できます。これは、光の速度が有限であるため、より早い宇宙時代を意味します。
宇宙の黎明期には、現在よりもはるかに多くの矮小銀河が存在していました。これは、今日見られる天の川などの巨大銀河を形成するために合体する時間がなかったからです。また、星はビッグバン以来重元素を合成する時間がなかったため、重元素が枯渇していました。そして、ビッグバンの後に形成された最初の世代の星は、おそらく 100 太陽質量以上の怪物だったと信じる理論的な理由があります。 「超光度の超新星は、時間の初めにはもっと一般的だったはずです」と Nicholl は言います。
これは興味深い可能性をもたらします。血液中の鉄分、骨中のカルシウム、息を吸うたびに肺を満たす酸素…これらはすべて、地球と太陽が生まれる前に、生きては死んだ星の中で鍛造され、粉々に吹き飛ばされました。おそらく超高輝度超新星は、宇宙の重元素のかなりの部分に貢献したのでしょう。その場合、超光度の超新星の成果を見るために遠くを見る必要はないかもしれません。手を上げてください!
最初の星の爆発は、約 2,000 年前に中国の天文学者によって記録されました。しかし、天文学者が超超爆発のクラスがあることに気付いたのは 1931 年のことであり、2005 年になって初めて超超爆発のクラスでした。明らかな疑問は、これまで見逃されてきた、さらに大きな星の爆発があるのかということです。 「私はそれに反対するつもりはありません」と Nicholl は言います。
「超光度の超新星は、少なくとも局所的には、超新星の可能性の限界を示す可能性があります」とクインビーは言います。 「大きな例外は、初期の宇宙にのみ存在すると考えられている仮想対不安定性超新星です。」
太陽質量が 130 ～ 250 の星で発生すると予想される対不安定性超新星では、内部が非常に熱くなり、内部のガンマ線が存在する電子陽電子対を呼び起こします。これらは重力に対抗する熱圧を低下させ、
コアを押しつぶそうとし、壊滅的な崩壊と巨大な爆発を引き起こし、星を粉々に吹き飛ばします.
対不安定超新星は、超光度超新星よりも 100 倍明るく輝きます。そのような超新星は、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡によって検出される可能性があります。 「エキゾチックな爆発のハンターとして、私は宇宙でまだ発見されていない驚きが残っていると思うのが好きです。」
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 373 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
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