コズミックバーストを繰り返し、深まる謎|天文学

「スピトラーバーストに関するマイナーな関心事。」メールの件名は、2015 年 11 月 5 日の午後 3 時過ぎにシャミチャタジーのコンピューター画面に表示されました。

Chatterjee がメールを読んだとき、最初はショックで息を呑んだ — それからコーネル大学のオフィスを飛び出し、廊下を走って同僚に伝えた。 28 分後、彼が返信の下書きを始めたとき、彼の受信トレイはすでに賑やかでした。メールスレッドはどんどん大きくなり、真夜中までに同僚から 56 件のメッセージが届きました。

ほぼ 10 年間、Chatterjee をはじめとするこのスレッドの天体物理学者は、宇宙における超高エネルギーの電波の短い閃光の性質を理解しようとしてきました。これらの「高速電波バースト」または FRB は、わずか数ミリ秒続きますが、宇宙で最も明るい電波信号であり、太陽 5 億個分ものエネルギーを動力源としています。最初の信号は 2007 年に天文学者のダンカン・ロリマーによって発見されました。彼は学生の 1 人と一緒に、古い望遠鏡のデータで偶然この信号を見つけました。当時、それを信じている人はほとんどいませんでした。懐疑論者は、携帯電話や電子レンジからの干渉を疑っていました。しかし、ますます多くの FRB が現れ続けています — これまでに 26 個が数えられており、その中には天文学者のローラ・スピトラーが 2012 年のデータで検出したスピトラーバーストが含まれています — そして科学者たちはそれらが本物であることに同意しなければなりませんでした。

問題は、何がそれらを引き起こすのかということでした。研究者は、私たち自身の銀河系のフレア星から爆発する星、荷電ブラックホールの合体、ホワイトホール、蒸発するブラックホール、振動する原始宇宙ストリング、さらには宇宙を航行する宇宙人まで、天体物理学の謎の全範囲を採用して数十のモデルをスケッチしました。銀河外のライトセイル。科学者にとって、FRB は暗い森での閃光手榴弾のように目がくらんでしまいました。そのパワー、簡潔さ、予測不可能性により、光の源を見ることができませんでした.

Chatterjee とその同僚たちに「ささいな関心事」を警告する電子メールは、すべてを変えました。その送信者は、モントリオールのマギル大学の大学院生で、Chatterjee の共同研究者である Paul Scholz でした。彼は天体物理学的な「デューデリジェンス」を行っていました.スーパーコンピューターの助けを借りて、スピトラーバーストが発生した空の部分から収集されたすべての望遠鏡データをふるいにかけ、ソースが2番目の信号を送信するかどうかを確認していました. Chatterjee 氏によると、これを 2 年間行って何も見られなかった後、期待は薄れましたが、「それは通常のローテーションの一部に過ぎませんでした。万が一に備えて、とにかく数分かけて探してください。」

そんな中、ふとショルツはリピーターを発見。この発見は「驚くべきものであると同時に恐ろしいものでもありました」とChatterjeeは言いました。「FRBが繰り返されないことを誰もが知っていた」ので驚くべきものであり、これらのバーストの1つでも生成するのに必要な巨大なエネルギーのために恐ろしいものでした.おそらく、5 億個の太陽のエネルギーを放出することよりも激しい唯一のことは、再びそれを行うことです.

この発見により、以前に提案された多数のモデルが即座に無効になりました — 少なくとも、この特定の FRB の説明として。恒星の瀕死の閃光や、恒星やブラックホールの合体など、一度限りの大変動を想定したモデルはどれも出ていませんでした。それでも、多くのモデルが残っており、銀河内の発生源を示すものもあれば、遠く離れた銀河のものもありました.

リピーターが選択肢を絞り込んでいく中、ショルツ氏はソースを推測することに挑戦しました。「銀河外のマグネター」と彼は最初の電子メールに書いており、非常に強力な磁場を持つ若い中性子星に言及していました。最初に返信したのは、モーガンタウンにあるウェストバージニア大学の天体物理学者である Maura McLaughlin です。銀河系外の電波マグネターは私にぴったりです。」それはすぐに最も人気のある理論になりましたが、唯一の理論ではなく、困難がないわけではありません.

バーストの真の性質を明らかにするために、科学者は発生源の場所を突き止めなければなりませんでした。しかし、それは簡単ではありませんでした。最初に FRB を検出するには、望遠鏡がたまたま FRB が発生する空の領域に直接向けられている必要があります。これは、過去 10 年間に 26 個しか発見されていない理由を説明しているのかもしれません。しかし、FRB が検出されたとしても、科学者は望遠鏡の視野内でその起源を特定することはできません。バーストの位置を特定するには、複数の望遠鏡でバーストを検出し、信号を比較して正確な位置を特定する必要があります。

ただし、リピーターが 3 度目に点滅する場合は、可能性がありました。

暗闇で点滅

Scholz が約 40 人の科学者からなるチーム (パルサーアレシボ L バンドフィードアレイ調査と呼ばれるプロジェクトの共同研究者) に電子メールを送信してから数時間以内に、チームのメンバーは 27 の無線のグループである超大型アレイ (VLA) で時間を確保することができました。映画 Contact で有名になったニューメキシコの望遠鏡 . VLA は、バーストの位置を特定するために必要な組み合わせ測定を行うのに十分な大きさです。最初に、チームは 10 時間の VLA 時間を要求しました。その間、FRB フラッシュをキャッチすることを期待して、宇宙の関連領域を数ミリ秒ごとにスキャンすることを計画しました。「毎秒 200 フレームで空の映画を作るようなものです」と、コラボレーションのリーダーの 1 人である Chatterjee 氏は述べています。「そして、この映画を 10 時間以上かけて制作しましたが、まったく何も見えませんでした。」

彼らはさらに 40 時間の VLA 時間をかけ、毎秒 200 フレームの電波スペクトルで空の動画をさらに作成しました。繰り返しますが、彼らは何も見ませんでした。心配して、研究者たちはさらに多くの時間を懇願しなければなりませんでした。彼らはなんとか VLA の経営陣を説得して、望遠鏡でさらに 40 時間使用できるようにしました。今回は、最初のテスト実行中に、フラッシュを見つけました。

「今日、高速電波バーストが発生したようです」と VLA をリアルタイムで監視している研究者である Casey Law は、チームの他のメンバーへの電子メールに書いています。

リピーターは8回の再登場を続けます。奇妙なことに、バーストは完全にランダムに見えました。前回の観測で 50 時間何も観測されなかった後、チームは現在、23 秒間隔の信号の「ダブルバースト」を含め、頻繁にそれらを発見しました。

繰り返し信号により、チームはソースを特定することができました。 1 月にジャーナル Nature で報告されたように、ほとんどの人が驚いたことに、バーストは、約ギガパーセク（30億光年強）離れた小さな「矮小不規則」銀河で発生しました。これにより、信号の強度とその頻繁な繰り返しがさらに驚くべきものになりました。「ギガパーセクから明るい閃光を検出している場合、それに関連する非常に多くのエネルギーがあります」と Chatterjee 氏は言います。「各出来事にエネルギーを関連付けるほど、繰り返しを説明するのが難しくなります。基本的に、何がバッテリーを急速に充電するのですか?」

マグネターの想像

2 月には、専門家がコロラド州アスペンで開催された会議に集まり、リピーターの場所が特定されて以来、初めて FRB について議論しました。ほとんどの天体物理学者は、発生源の距離と設定の両方がマグネターであるという理論と一致していることに同意しました。これは、これほど遠くから強力な信号を生成できる数少ないソース候補の 1 つです。また、ドイツのボンにあるマックスプランク電波天文学研究所の研究者で、スピトラーバーストの名前の由来となったローラスピトラーによると、マグネターは通常、タイプ I 超光度超新星と呼ばれる星の爆発から形成されます。これらの事象は矮小不規則銀河で不釣り合いに頻繁に発生し、宇宙に存在した最も初期の銀河のいくつかに似ていると考えられています.

ビッグバン以来、生きて死んだ星の連続する世代は、陽子と中性子を融合させてどんどん重い元素にし、天文学者が宇宙の「金属性」と呼ぶものを増やしています.しかし、矮小不規則銀河は、宇宙が誕生したときから原始のままである軽量の水素とヘリウムから形成された可能性が高い.金属量が少ないため、これらの小さな銀河はより大質量の星を生成できます。おそらく、大質量星はより強い磁場を持っているため、それらの爆発的な死により、高度に磁化された中性子星またはマグネターが後に残る可能性があります。

しかし、コロンビア大学のブライアン・メッツガーのようなマグネターの支持者は、そのような巨大なFRBを立て続けに解き放つには非常に特別なマグネターが必要であることを認めています. 「この速度で何千年もの間中性子星が爆発すると、すぐに燃料がなくなるでしょう」と彼は言いました。彼の最良の推測は、リピーターは非常に若いマグネターであり、おそらく 100 年未満であるということです.

若いマグネター理論が正しければ、この話の 1 つの考えられるバージョンによると、強力で非常に不安定な磁場に覆われた、生まれたての超高密度中性子星を想像する必要があります。このマグネターは、超新星爆発からの拡大するデブリの雲にも埋め込まれたままです。生まれたばかりのマグネターの磁場が変化し、再構成され、再接続されると、周囲のガスと塵の雲にエネルギーが送り込まれます。これは今度はエネルギーを吸収し、時折ショックを経験し、突然巨大なエネルギーの爆発を宇宙に放出します.

この話はまだ仮説に過ぎませんが、天体物理学者は裏付けとなる証拠の一部を指摘しています。FRB は、安定した電波放射源と同じ近くから来ています。おそらく、若いマグネターを取り囲む拡大する破片の雲からの背景信号です。トロント大学の天体物理学者であるブライアン・ゲンスラーは、この破片が拡大するにつれて、このバックグラウンド信号の特性が変化するはずだと述べました。「これが起こった場合、それはマグネターの若いモデルをよりサポートすることになります」と彼は言いました。「さらに、マグネターの環境と誕生プロセスに関する情報を提供してくれます。」

ただし、Gaensler 氏は、マグネターモデルにはいくつかの問題があると警告しています。まず第一に、地球にもっと近いマグネターからの FRB が見られないのはなぜですか?たとえば、天の川銀河のマグネター SGR 1806-20 は、2004 年 12 月に巨大なガンマ線バーストを放出しましたが、FRB は発生しませんでした。「リピーターと同じくらい強力な FRB を生成していたら」とゲンスラーは言いました。

一方、マグネターは狭いビームまたはジェットで FRB を生成する可能性があると彼は言いました。「そうすれば、ビームが私たちに向けられているときだけ FRB が見えます。おそらく、SGR 1806-20 は常に FRB を生成しますが、別の方向を指しています。よくわかりません」

いずれにせよ、研究者がスピトラーバーストに関連する安定した電波源の減光を発見できなかった場合、マグネター理論全体が天体物理学的スクラップヒープの準備ができている可能性があります。

周りに浮かんでいるもう 1 つの考えは、FRB は活動銀河核 (AGN) (一部の銀河の中心にある超光度領域) から放出されるというものです。 AGN は超大質量ブラックホールによって動力を供給されていると考えられており、それらの多くは FRB を宇宙に放出できるジェットを持っています。しかし、AGN は通常、矮星ではなく、より大きな銀河に存在するため、この理論はあまり一般的ではないと Metzger 氏は述べています。

他の可能性もあります。オランダ電波天文学研究所の天体物理学者、エミリー・ペトロフ氏は、「新しい理論が次々と現れています。「FRB に関する新しい観測論文が発表されるたびに、それを説明するために殺到するいくつかの新しい理論論文があります。観測が理論よりもはるかに先を行っていることはめったにないため、この分野にとっては楽しい場所です。天文学で。」

重要な問題の 1 つは、リピーターがすべての FRB を代表しているかどうか、つまり、すべての FRB が繰り返されるかどうかです。すべての可能性がありますが、ほとんどの場合、最初の最も明るいバーストだけが見られます。「現在のデータから確固たる結論を導き出すことはできません」と Chatterjee 氏は述べています。

さまざまな可能性

リピーターは、回答を提供したよりも多くの質問を作成した可能性があります。より多くのことを知るために、科学者はより多くの FRB とより多くのリピーターを必要としています。彼らは、通常矮小不規則銀河に住んでいるかどうか、およびそれらすべてが安定した電波源のそばに現れるかどうかを確認するために、より多くのバーストの位置を突き止めたいと考えています。彼らはまた、その理論に基づいて予想されるように、その特性が時間の経過とともに変化するかどうかを確認するために、スピトラーバーストの近くからの安定した電波放射を監視し続けることを計画しています.

複数の天体物理学的メカニズムが FRB を作る可能性があることが判明するかもしれません。世界最大の電波望遠鏡となる予定の Square Kilometer Array や、「ライトバケット」と呼ばれる一連の小型計画望遠鏡など、今後の次世代電波望遠鏡は、天文学者が可能性を整理するのに役立つはずです。ライトバケツは逆にフラッドライトのように機能し、広大な空から電波を引き込みます。 Gaensler 氏によると、過去 10 年間に発見されたよりも多くの FRB を 1 日で発見できるはずであり、リピーターを探して信号を特定する十分な機会を提供します。 Realfast と呼ばれる機能を備えた VLA を含む他の将来の望遠鏡は、FRB が繰り返されなくても、FRB の位置を正確に特定できるはずです。ホスト銀河の性質をよりよく理解し、宇宙の物質の分布をより正確にマッピングするための信号。ネバダ大学ラスベガス校の天体物理学者 Bing Zhang 氏によると、FRB ビーコンを宇宙論的に異なる距離に配置できれば、私たちと地球との間の広大な空間に広がる物質の量を測定できるはずです。閃光の源。これは、宇宙がクラスターとボイドでかなり塊状であることを示唆するシミュレーションを確認するのに役立つかもしれません。また、宇宙に浸透しているように見える目に見えない「暗黒物質」の分布を研究者がより適切に処理できるようになる可能性があると、Zhang 氏は付け加えました。

「反復 FRB のブレークスルーは、その正確な位置を測定できることから生まれました」と Gaensler 氏は述べています。現在、科学者たちはますます多くのバーストを突き止めることに熱心です。「結果と進歩は素晴らしいものになるでしょう」と彼は言いました。