8 月 17 日、高度レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) が何か新しいものを検出しました。約 1 億 3000 万光年離れた 2 つの超高密度の中性子星は、それぞれが都市と同じくらい小さいが、太陽よりも重く、互いに衝突し、キロノバと呼ばれる巨大な痙攣を引き起こし、時空に明らかな波紋を送りました。地球。
LIGO が信号を受信したとき、天文学者のエド バーガーはハーバード大学の彼のオフィスで委員会の会議に苦しんでいました。 Berger は、LIGO によって検出された衝突の残光を検索する取り組みを主導しています。しかし、彼の会社の電話が鳴ったとき、彼はそれを無視した。しばらくして、彼の携帯電話が鳴った。彼はディスプレイをちらりと見たところ、見逃したテキスト メッセージが次々と表示されていました。
エド、メールをチェックしてね
電話を取ってください!
「私はその瞬間に全員を追い出し、行動に移しました」とバーガーは言いました。 「私はこれを予期していませんでした。」
ルイジアナ州とワシントン州にある LIGO の超高感度検出器のペアは、2 つのブラック ホールの衝突から発生する重力波を記録することで 2 年前に歴史を作りました。この発見により、実験の設計者は今月ノーベル物理学賞を受賞しました。最初の発見に続いて、ブラック ホールの衝突からさらに 3 つの信号が検出されました。
しかし、ブラック ホールは光を放っていないため、重力波自体を超えてこれらの遠方の大変動を観測することはまずありませんでした。一方、中性子星同士が衝突すると、花火が発生します。天文学者はこれまでそのようなショーを見たことがありませんでしたが、今では LIGO がどこを見ればよいかを彼らに伝えているため、バーガーのような研究者チームは、電磁気信号の全範囲にわたって衝突の直後の余波を捉えるために急いでいます。全部で 70 を超える望遠鏡が空の同じ場所に向かって旋回しました。
彼らはマザーロードを襲った。 8 月 17 日以降、天文学者は、光学、電波、X 線、ガンマ線、赤外線、紫外線の望遠鏡を使って、衝突する中性子星の観測に成功しました。 Physical Review Letters、Nature、Science、Astrophysical Journal Letters に同時に掲載されている数十の論文で今日詳述されている膨大な共同作業 および他のジャーナルは、天体物理学者がこの出来事の首尾一貫した説明をまとめるだけでなく、天体物理学における長年の疑問に答えることを可能にしました.
マサチューセッツ工科大学カブリ天体物理宇宙研究所の天体物理学者であるスコット・ヒューズ氏は、「重力波の測定は、核天体物理学、中性子星の人口統計学と物理学、正確な天体距離への窓を一気に開いた」と語った。 「家族向けの言葉でそれがどれほどエキサイティングかを説明することはできません。」
今日、バーガーは「天文学の歴史に残るだろう」と述べた。
X がスポット
ベルガーが電話、電子メール、および自動化された公式の LIGO アラートを受信したとき、中性子星の合併の可能性が高い座標が示されたとき、彼と彼のチームは、光学望遠鏡を使用してその余波を確認するために迅速に行動しなければならないことを知っていました.
タイミングは偶然でした。 LIGO の 2 つの検出器に似た新しい重力波天文台である Virgo は、ヨーロッパでオンラインになったばかりでした。 3 つの重力波検出器を合わせて、信号を三角測量することができました。中性子星の合体が、おとめ座がデータを取得し始める 1 ～ 2 か月前に発生していた場合、「エラー ボックス」、または信号が発生した可能性のある空の領域が非常に大きかったため、フォローアップの観測者は何かを見つけるチャンスはほとんどありませんでした。
LIGO と Virgo の科学者には、もう 1 つの幸運がありました。中性子星同士が合体して発生する重力波は、ブラックホールよりも微弱で検出が難しい。ドイツのハノーバーにあるアルバート アインシュタイン研究所の天体物理学者であり、LIGO のメンバーでもある Thomas Dent によると、この実験では 3 億光年以内に発生する中性子星の合体しか検出できないという。このイベントははるかに近く、LIGO と全範囲の電磁望遠鏡の両方が観測するのに快適な距離でした。
しかし、当時、バーガーと彼の同僚はそのことを知りませんでした。彼らは、チリのビクター M. ブランコ望遠鏡に取り付けられたダーク エネルギー カメラと呼ばれる機器を使用できるようになるまで、チリで日没まで苦痛な待ち時間を過ごしました。天文学者によると、カメラは空の非常に広い領域をすばやくスキャンできるため、どこを見ているのか正確にわからない場合に最適です。バーガーはまた、ニューメキシコ州中央部の超大型アレイ (VLA)、チリのアタカマ大型ミリ波アレイ (ALMA)、および宇宙ベースのチャンドラ X 線天文台の使用を確保しました。 (LIGO アラートを受け取った他のチームは、VLA と ALMA も使用するよう求めました。)
数時間後、ダーク エネルギー カメラからのデータが入り始めました。Berger のチームが新しい明るい光源を見つけるのに 45 分かかりました。この光は、LIGO アラートで指摘されたうみへび座にある NGC 4993 と呼ばれる銀河から来ているように見え、LIGO が彼らが見ていると示唆したほぼ距離にあります。
「それは私たちを本当に興奮させました。私は今でも同僚からの電子メールを持っています。聖なる[煙]、この銀河の近くにある明るい源を見てください!」とバーガーは言いました。 「すぐに成功するとは思っていなかったので、私たち全員が少しショックを受けました。」チームは、LIGO の検出後、最終的に何かを発見するまでに数年間、複数の検索を行う必要があり、長いスローグを予想していました。 「しかし、これは際立っていました」と彼は言いました。「X がスポットをマークするときのように。」
一方、少なくとも 5 つの他のチームが独自に新しい明るい光源を発見し、何百人もの研究者がさまざまな追跡調査を行いました。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者であるデビッド・コールターとその同僚は、チリのスウォープ望遠鏡を使用してイベントの正確な位置を特定しましたが、ラスカンブレス天文台の天文学者は、世界中の20の望遠鏡のロボットネットワークの助けを借りてこれを行いました.
バーガーと残りのダーク エネルギー カメラのフォローアップ チームにとって、ハッブル宇宙望遠鏡を呼び出す時が来ました。ベテランの楽器で時間を確保するには、通常、数か月ではないにしても数週間かかります。しかし、非常事態の場合には、「監督の裁量時間」を利用して、一足飛びに先を行く方法があります。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者であるマット・ニコルは、チームを代表して、ハッブルで紫外線測定を行うという提案を提出しました。 「それは 2 段落の長さでした。真夜中にできることはそれだけでした」と Berger 氏は言います。 「中性子星連星合体の最初の対応物を発見したので、UV スペクトルを取得する必要があるとのことでした。そして承認されました。」
さまざまな機器からデータが少しずつ流入するにつれて、収集されたデータセットはますます驚くべきものになりました。全体として、最初の LIGO/Virgo の発見と、科学者によるさまざまなフォローアップ観測により、多数の論文が生み出され、それぞれが合併中および合併後に発生した天体物理学的プロセスを説明しています。
ミステリーバースト
中性子星は、巨大な星が超新星爆発で死ぬときに残った中性子が詰まったコンパクトなコアです。小さじ1杯の中性子星は、10億トンもの重さがあります。それらの内部構造は完全には理解されていません。また、互いの軌道を周回する緊密な星の連星ペアへのそれらの時折の集約もありません。天文学者のジョー・テイラーとラッセル・ハルスは、1974 年に最初のペアを発見し、1993 年のノーベル物理学賞を受賞しました。彼らは、これら 2 つの中性子星が約 3 億年後に互いに衝突する運命にあると結論付けました。 LIGO によって新たに発見された 2 つの星は、そうするのにはるかに長い時間がかかりました.
バーガーと彼のチームによる分析は、新しく発見されたペアが誕生したのは 110 億年前で、2 つの大質量星が数百万年離れて超新星爆発を起こしたときに生まれたことを示唆しています。これらの 2 つの爆発の間に、何かが星を近づけ、宇宙の歴史のほとんどの間、星は互いに円を描き続けました。調査結果は「連星中性子星形成のモデルと非常によく一致している」と Berger 氏は述べた。
この合併は、過去 50 年間天体物理学者を悩ませてきた別の謎も解決しました。
1967 年 7 月 2 日、米国の 2 つの衛星、ヴェラ 3 号と 4 号がガンマ線の閃光を発見しました。研究者たちは、最初にソ連が実施した秘密の核実験を疑った。彼らはすぐに、このフラッシュが何か別のものであることに気付きました。現在ガンマ線バースト (GRB) として知られているものの最初の例であり、ミリ秒から数時間続くイベントであり、「天体物理学的オブジェクトの中で最も強力で激しい放射線の一部を放出します。 」とデントは言いました。 GRB の起源は謎に包まれていますが、いわゆる「短い」ガンマ線バースト (持続時間は 2 秒未満) は中性子星の合体の結果である可能性があると示唆する人もいます。今まで直接確認する方法がありませんでした。
さらに幸運なことに、8 月 17 日、フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡と国際ガンマ線天体物理学研究所 (インテグラル) がうみへび座の方向を指していました。 LIGO と Virgo が重力波を検出したのと同じように、ガンマ線宇宙望遠鏡は弱い GRB を検出し、LIGO と Virgo のように警告を発しました。
中性子星の合体は、非常に強力なガンマ線バーストを引き起こし、ほとんどのエネルギーがジェットと呼ばれるかなり狭いビームで放出されます。研究者は、ジェットが私たちから離れた角度を指していたために、地球に衝突する GRB 信号が弱かったと考えています。約 2 週間後、天文台が GRB に伴う X 線と電波の放出を検出したときに、証拠が到着しました。「 これは、通常の短いガンマ線バーストが中性子星の合体によって生成されることを決定的に証明するものです」とバーガー氏は述べています。 「これは、これら 2 つの現象の間の最初の直接的な説得力のあるつながりです。」
Hughes 氏は、今回の観測は「短いガンマ線バーストを前駆体と明確に関連付けた」最初の観測であると述べています。この調査結果は、少なくとも一部の GRB は中性子星の衝突に由来することを示していますが、すべてがそうであるかどうかを判断するには時期尚早です。
ストライキング ゴールド
中性子星合体後に取得された光学および赤外線データは、r と呼ばれる、ウラン、プラチナ、金など、宇宙で最も重い元素の形成を明らかにするのにも役立ちます -プロセス核合成。科学者たちは、これらのまれで重い元素は、他のほとんどの元素と同様に、超新星などの高エネルギー イベント中に作られると長い間信じていました。近年注目を集めている競合する理論は、中性子星の合体がこれらの要素の大部分を作り上げる可能性があると主張しています。その考えによれば、中性子星の衝突はキロノバと呼ばれるもので物質を放出します。 「中性子星の重力場から解放されると」、物質は「地球のような岩石惑星で見られる重元素でいっぱいの雲に変化する」とデントは説明した。
光学望遠鏡は、これらの重元素の放射性輝きを捉えました。科学者によると、中性子星の衝突が、金のような重元素の宇宙供給の多くを生み出しているという強力な証拠です。
「この合併により、これらの元素の形成の予想されるすべての兆候を見ることができるので、これらの元素がどのように形成されるかという天体物理学におけるこの大きな未解決の問題を解決しています.これについては以前からヒントがありましたが、ここには精巧なデータを備えた非常に近くにあるオブジェクトがあり、あいまいさはありません。」シカゴ大学の天体物理学者 Daniel Holz によると、「大雑把な計算では、この 1 回の衝突で地球の重量を超える量の金が生成されたことが示されています。」
科学者たちはまた、中性子星の衝突に続く一連の出来事を推測し、星の内部構造への洞察を提供しました。専門家は、衝突の結果が「星の大きさと、どれだけ「柔らかい」か「弾力がある」か、つまり、超強力な重力による変形にどれだけ抵抗するかに大きく依存することを知っていました.星が非常に柔らかい場合、新しく形成されたブラック ホールの内部にすぐに飲み込まれる可能性がありますが、ガンマ線バーストを生成するために外部に物質が残ることはありません。 「スケールの反対側では、2 つの中性子星が合体して、不安定で急速に回転する超大質量中性子星を形成し、数十秒または数百秒のホールドアップの後にガンマ線バーストを生成する可能性があります。 .」
最も可能性の高いケースは、中間のどこかにある可能性があります.2つの中性子星が融合してドーナツ型の不安定な中性子星になり、超高エネルギーのホットマターのジェットを放出した後、最終的にブラックホールとして崩壊した可能性がある、とデントは述べた.
中性子星合体の将来の観測は、これらの問題を解決するでしょう。専門家によると、合体は宇宙論者にとって正確なツールとしても役立つだろうという。重力波信号を電磁信号の赤方偏移または伸縮と比較すると、いわゆるハッブル定数を測定する新しい方法が提供されます。ハッブル定数は、宇宙の年齢と膨張率を示します。すでに、この 1 つの合併で、研究者はハッブル定数の初期測定を「非常に基本的な方法で」行うことができ、他の方法で定数を推定するための多数の仮定を必要としませんでした。オーストラリアのスウィンバーン工科大学の教授。ホルツは、中性子星の合体を「標準的なサイレン」（超新星に使用される「標準的なろうそく」という用語に同意して）と表現し、最初の計算では、宇宙がメガパーセクあたり毎秒 70 キロメートルの速度で膨張していることを示唆していると述べました。 LIGO のハッブル定数は「[以前の] 推定値の中間にある」
測定を改善するために、科学者はさらに多くの中性子星合体を見つける必要があります。 LIGO と Virgo は感度を上げるためにまだ微調整中であることを考えると、Berger は楽観的です。 「発生率が予想よりもやや高いことは明らかです」と彼は言いました。 「2020 年までに、毎月少なくとも 1 つから 2 つになると予想しています。とてつもなくエキサイティングなものになるでしょう。」
