11 年 2021 月 120 日、最もエネルギーの高い光の形であるガンマ線のビームが NASA のスウィフト衛星に衝突しました。 XNUMX秒以内に、衛星は爆発に向かって旋回して、宇宙大惨事の輝く残り火を発見した。 XNUMX分後、世界中の天文学者に警報が発せられた。

その中には ジリアン・ラスティネジャード、ノースウェスタン大学の大学院生。 ラスティネジャドとその共同研究者らにとって、このガンマ線バーストは奇妙にも2006年に発生した異常なバーストに似ていた。ラスティネジャドはハワイのジェミニ天文台に電話し、そこの研究者らにバーストが発生した空の一部を深く見つめるよう要請した。 数日後、雲が立ち込めてきたため、アリゾナ州のMMT天文台の研究者が引き継ぎ、XNUMX億光年離れた消えゆく光の点で望遠鏡を訓練し続けるために最善を尽くしました。

天候も変わりつつあったことを考えると、これは簡単なことではない、とラスティネジャド氏は語った。 「彼女は毎日午前4時頃に雲の穴を見つけてくれました。」

XNUMX週間ほど後、一連の観測が終了するまでに、ラスティネジャドと同僚は、何が宇宙全体にガンマ線を発射したのかについて、かなりの見当を付けていた。 彼らが見ているうちに、爆発の余波はますます赤くなった。これは、破片の中で金やプラチナのような重い原子が鍛造されていることを示す紛れもない兆候だった。 このような宇宙の錬金術の主な源は、死んだ太陽の想像を絶するほど高密度の核である中性子星が関与する衝突です。

唯一の問題は、そのような結論は不可能に思われることでした。 中性子星が合体するとき、それはほんの一瞬で終わるのではないかと天体物理学者は考えています。 しかしスウィフトは、比較的果てしなく続く51秒間のガンマ線照射を記録していた――これは通常、まったく異なる種類の宇宙ドラマの特徴である。

それ以来、天文学者たちはこのような出来事をさらに確認してきました。 最近では35月に発生し、これまでに検出された中でXNUMX番目に明るいガンマ線バーストがXNUMX秒間続いた。 再び、天文学者たちは中性子星衝突の赤みがかった余波を観察しました。 彼らはまた、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡も採用した 奇妙なバーストを研究する そして沈降する塵の中に重元素テルルの兆候が発見されました。

一連の観測は、ほとんどの研究者が決着したと考えていた天文学の分野に新たな謎をもたらしている。なぜ、これらの急速で暴力的な出来事が、これほど長期間にわたってガンマ線を吹き飛ばすのか? これは、宇宙物理学者が、宇宙のさまざまな元素すべての起源を理解するという野心的な目標を達成したい場合、解決しなければならないパズルです。その多くは、これらの激しい爆発から生まれます。

「これを見て本当に興奮しました」と彼は言った ダニエル・カーセン、カリフォルニア大学バークレー校の天体物理学者で、宇宙爆発を専門としています。 「それは本当のパズルを投げかけています。」

冷戦、華麗な爆発

現在、スウィフトは数日おきにガンマ線バーストを受けています。 しかし、爆発は冷戦の最盛期にどこからともなく現れるまで知られていなかった。 1960年代、米空軍はソ連が核兵器実験禁止を順守していることを確認するためにベラ衛星を打ち上げた。 ソ連が宇宙で核爆弾を爆発させた場合、その結果として生じるガンマ線の閃光（原子核と同じくらい短い高エネルギーの光の波）を隠すことは不可能でしょう。

衛星はソ連によるいかなる違反も検出しなかった。 しかし、1969 年から 1972 年にかけて、彼らは回復しました。 16個の神秘的なフラッシュ ロスアラモス国立研究所の研究者が「宇宙起源」であると判断したガンマ線。

その後数十年間、NASA は調査を開始しました。 宇宙機関は、 バーストハンティング専用衛星 1991 年に検出され、その後 3,000 年間で XNUMX 件近くのガンマ線バーストが検出されました。 イベントには、短いものと長いものの XNUMX 種類がありました。 ほとんどの短いバーストは XNUMX 秒未満でしたが、多くの長いバーストは XNUMX 分以上続きました (XNUMX つのフレーバーの境界線は約 XNUMX 秒です)。

これらのバーストを引き起こしたものが何であれ、壊滅的なもののように見えました。 ポップソングの長さの半分にも満たない時間で、太陽が数十億年かけて生成するのとほぼ同じ量のエネルギーを放射します。 一体何がそんなに明るく燃え上がるのでしょうか？ 天体物理学者たちは当初確信が持てませんでしたが、そこに含まれる膨大なエネルギーは世界を終わらせる大変動を示唆していました。 そして、XNUMXつの継続時間は、XNUMX種類の大惨事、つまり、XNUMX秒程度続く速いものと、XNUMX分以上続く（やや）遅いものを示唆しています。

天文学者は、より遅いバーストの起源を最初に発見しました。 1990 年代後半、研究者が爆発の方向を正確に特定できるようになると、宇宙爆発を示唆する残光を捉え始めました。 そして 2003 年、近くの残光を観察していた天文学者は、 超新星の華麗な花火 長いガンマ線バーストからわずか数日後: このバーストは、巨大な星の死の第一段階を示していました。

より速い大変動を理解するには、さらに2004年とより鋭利なツールが必要になるだろう。 画期的な機器は NASA の Swift 衛星であることが判明しました。 XNUMX 年に発売されたスウィフトは、空の広い範囲からガンマ線を捕らえることができる、長さ XNUMX メートルの模様が描かれた鉛板を備えていました。 重要なのは、搭載された一対の望遠鏡を天文爆発の方向に素早く回転させるユニークな能力も備えていたことです。 (スウィフトの科学者の間での言い伝えによると、このポイントアンドシュート技術は、冷戦時代の別の防衛プロジェクト、つまり飛行中の核ミサイルを撃墜することを目的とした、非公式に「スター・ウォーズ」として知られるロナルド・レーガンの戦略的防衛構想というプロジェクトのために部分的に開発されたという。 ）

Swift を使用することで、天文学者は XNUMX 分以内にバーストを観察できるようになりました。これは、短いガンマ線バーストの残光を初めて捉えるのに十分な速さです。 天文学者たちは、最初の閃光が消えていくのを見ながら、時間の経過とともに赤みが増した、その後の爆発の兆候も観察しました。 天体物理学者たちはすぐに、この赤みは中性子星が関与する合体（XNUMXつの中性子星同士、または中性子星とブラックホールの間の衝突である可能性がある）の後に予想されるものであると計算しました。 このような衝突では、より短い青い波長の光を遮断する破片が放出されるでしょう。 キロノバと呼ばれるこれらの爆発とそれに先立つ短いガンマ線フラッシュを突き合わせると、中性子星の合体が短期間の大惨事であることを示す強力な状況証拠が得られた。

直接証拠 近くにある 17 つの中性子星が衝突して時空構造を揺るがし、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) が検出できる重力波を生成しました。 科学者たちは、これらの波紋にコード化された情報を読み取ることで、衝突した物体の質量を計算し、それらが中性子星であることを知りました。 重力波が到着した直後、フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は 2017 秒間のガンマ線バーストを捉えました。 そしてその翌日、天文学者たちはガンマ線バーストと同じ場所でキロノバが赤くなっているのを目撃した。 の XNUMX つの連続した観察 疑う余地はほとんどなく、短いバーストは中性子星の合体から起こる可能性がある。

「あれですべてが固まった」と彼は言った ブライアンメッツガー、コロンビア大学の天体物理学者であり、合併後のキロノバがどのようになるかを最初に予測した理論家の一人です。 「[私たちは]『なるほど、この写真には本当に意味がある』と思いました。」

そのイメージが今崩れ始めています。

第三幕のひねり

最初に来たのはラスティネジャドのもの 51 年後半に 2021 秒バースト。 それは、不可解なことに、超新星が欠けているように見えた、2006 年に発生した近くでの長時間のバーストによく似ていました。 しかし、最新の機器と何を探すべきかについてのより深い理解により、ラスティネジャドと同僚は、2006 年の天文学者が観察できなかったものを見ることができました。2021 年のバーストの後には、薄暗い赤いキロノバが続きました。

その観察が拍車をかけた アンドリュー・レヴァン ラドバウド大学の教授は、64年以来謎に包まれていた2019秒間のバーストを再検討するため、このバーストは、星の誕生と死（超新星という形で）がずっと前に止まっていた古代銀河の中心部で起きた。 六月に、 レヴァンと彼の協力者たちは議論した 長時間の爆発の最も可能性の高い説明は、XNUMX つの恒星の死体 (少なくともそのうちの XNUMX つはおそらく中性子星) がお互いを見つけて合体したということです。

そして今、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、異常なバーストの後に何が起こるのかについて、これまでで最も鮮明な視界を提供しました。 35月7日にXNUMX秒間のバーストが地球に到達したとき、スウィフトのガンマ線を感知する鉛板は別の方向を向いていた。 この高エネルギー線は主にフェルミによって検出され、史上 XNUMX 番目に明るいガンマ線バーストとして記録されました。 記録樹立イベント 2022で）。

天文学者たちは、スウィフトの代わりに、惑星間宇宙船団（火星と水星の探査機を含む）を使用して、バーストの位置を正確に特定した。 それから数日後、地上の望遠鏡でキロノバの特徴的な赤みが再び確認されたとき、レヴァンはすぐにこの現象のほぼリアルタイムの JWST 観測を求める緊急リクエストを発令しました。 「幸運なことに、彼らはイエスと言ってくれました」とレヴァン氏は語った。 「そのおかげで、最初のバーストから約 XNUMX か月後にこれらの観測を得ることができました。」

JWST は、渦巻く瓦礫フィールドから膨大なデータを収集しました。 光学望遠鏡が厚いキロノバ雲の奥深くまで見ることができないのは、まさにこの現象が天体物理学者を魅了する理由である。それは、「星雲」として知られる不可解な一連の出来事を通じて、巨大な光を遮断する原子を吐き出す。 r-プロセス。

星は通常、水素原子をヘリウムに融合させ、その後、より軽い原子を酸素や炭素などのやや重い原子に融合させます。 の r-プロセスは、最も重い自然発生要素に直接ジャンプする唯一の方法の 78 つです。 それは、中性子星の衝突によって高密度の中性子の渦が発生するためです。 混沌の中で、中性子は繰り返し原子核に侵入し、非常に不安定で放射性の原子を形成します。 これらの原子の中性子が崩壊すると、陽子に変換されます。 最終的に 79 個の陽子があれば、それはプラチナ原子になります。 XNUMX 個の陽子を取得できれば、それは金です。

中性子星のダストアップによって作られたかさばる原子は可視光を遮断し、主に赤外線で輝きます。 JWST (赤外線望遠鏡) がキロノバ雲を覗き込むのに非常に適していた理由はここにあります。 「これまでJWSTでキロノバを観測したことはありませんでした」とメッツガー氏は語った。 「それは完璧な楽器です。」

JWSTはデブリの中にテルル原子（陽子52個）を発見し、中性子星の合体によって周期表の第XNUMX行の終わりに向かってかなり重い元素が生成される可能性があることを裏付けた。 「これは私たちがこれまでに見たものよりもはるかに重い元素です」とレヴァン氏は言う。

しかし同時に、JWSTの観測によって、かつてはありそうにないと思われていたとしても、中性子星が関与する合体では長いガンマ線バーストが発生する可能性があるという認識がさらに高まっている。 ここでの問題は、「どのようにして?」ということです。

高密度のオブジェクト、長いバースト

恒星の爆発は比較的遅く、厄介であるため、超新星は長いガンマ線バーストを発射します。 巨大な星の死は、その中心がブラックホールに崩壊することから始まります。 それが起こった後、外部の恒星物質のかなりの量（おそらく太陽数個分の質量に達する）がブラックホールに螺旋を描き、強力な粒子ジェットを発射し、最大数分間にわたってガンマ線を空間に発射します。

対照的に、中性子星の合体は一瞬で終わると考えられている。 中性子星は、直径わずか数マイルの滑らかな小さな球の中に太陽程度の質量を詰め込みます。 これらの高密度の球体が 10 つ衝突すると、または一方がブラック ホールに衝突すると、物質は崩壊してブラック ホールになります。 その最後のけいれんの間に、星の崩壊の場合よりもはるかに少ない残留物質が軌道に投げ込まれます。 ブラックホールが太陽のXNUMX分のXNUMXの重さのこの軽食を食いちぎると、XNUMX分のXNUMX秒続くジェット（およびガンマ線バースト）を短時間発生させます。

レヴァン、ラスティネジャドらによる新しい観測結果は、中性子星の合体に関するこの迅速かつクリーンなイメージと衝突します。 「ほんの数秒しか生きていないシステムから 10 秒のバーストが発生するのは意味がありません」と彼は言いました。 オーレ・ゴットリーブ、フラットアイアン研究所の計算天体物理学者であり、観測には関与していませんでした。

可能性の XNUMX つは、中性子星よりも大きくて厄介な何かが、このような永続的な爆発を送り出しているということです。 特に、その持続期間が長いことは、白色矮星（小さな星が燃料を使い果たしたときに残される、より大きな種類の星の死骸）とブラックホールまたは中性子星の合体に、より自然に適合するだろう。 このシナリオでは、ブラック ホールの周囲にさらに多くの物質が存在することになります。 しかし、白色矮星が関与する衝突で適切な種類のガンマ線バースト、さらにはキロノバが発生するかどうかは不明である。 「現象全体はあまり研究されていません」とバークレーのケーセン氏は言う。 「私たちは現在それに取り組んでいます。」

もう一つの選択肢は、長いガンマ線バーストは生まれたばかりのブラックホールの影響ではまったくないということです。 代わりに、XNUMX つの小さな中性子星を衝突させ、その結果できた塊が十分な速さで回転すれば、数分間ブラックホールに崩壊するのに耐えられるかもしれません。 この短命の天体は、高度に磁化された中性子星、つまり「マグネター」であり、その回転が遅くなるにつれてより長いガンマ線バーストを放出することになる。 メッツガーはこのシナリオの具体化に協力しましたが、彼ですらこれは過激な概念であると考えています。 「私はまだそれについて当然のことながら懐疑的です」と彼は言った。

メッツガー氏は、最も保守的な可能性としては、中性子星が関与する合体は天体物理学者が考えていたよりも厄介であるということだと述べた。 夏の間、 詳細なシミュレーション Gottlieb が主導するコラボレーションから、これが頻繁に当てはまる可能性があることが示唆されました。 特に、軽い中性子星が十分に重い自転ブラックホールと出会うと、中性子星は螺旋を描き、ブラックホールは数百の軌道にわたって中性子星を引き裂き、ブラックホールが消費するのに数十秒を必要とするより重い物質の円盤を残します。 。 間の衝突をシミュレートしながら、 中性子星とブラックホールゴットリーブ、メッツガーおよび共同研究者らは、より長いガンマ線バーストを駆動する重いディスクが非常に一般的であることを発見した。

実際、皮肉なことに、彼らのシミュレーションでは、よく観察される短いバーストが長いバーストほど容易には生成されず、何が短いバーストに電力を供給しているのかという疑問が生じました。

「私たちはこれらのことを[完全には]理解していません」とゴットリーブ氏は言う。 「おそらくこれが今の最大の問題だと思います。」

ギャップを埋める

死んだ星が衝突したときに実際に何が起きるかを解明するには、天文学者はガンマ線バーストの詳細なカタログを作成する努力を倍加する必要がある。なぜなら、主に超新星による爆発のグループであると考えられていたものが、現在は混同されているようだからである。中性子星の合体の数は不明です。 そのためには、長いバーストと短いバーストの両方の後に、衝突の兆候であるキロノバを探す必要があります。 ロングとショートの区別が変わらない場合、それはキロノバを調理する方法が複数あることを示している可能性があります。

「私たちは、比較的近くでイベントがあれば、それに参加すべきだということを学びつつあります」とラスティネジャド氏は語った。

LIGO も重要な役割を果たします。 最近の奇妙な爆発の間、天文台はアップグレードのためにオフラインでしたが、現在はXNUMX回目の稼働の真っ最中で、遠くの衝突を監視しています。 LIGOが長いガンマ線バーストから来る重力波を捉えることができれば、科学者たちは中性子星やブラックホールが関与していたかどうかを知ることができるだろう。 これにより、LIGOで重力波を検出できない白色矮星を除外することも可能になる。 将来の天文台での波の詳細な動きは、当面の生成物がマグネターなのかブラックホールなのかについてのヒントを提供することさえあるかもしれません。

「（重力波は）この問題を解決する唯一の決定的な方法になるだろう」とメッツガー氏は語った。

天体物理学者は、中性子星の合体による重力の轟音を感知し、ガンマ線バーストやキロノバを観測することで、水素からプラチナ、プルトニウムに至るまで、宇宙のあらゆる物質の起源を完全に説明するという長期目標を最終的に達成するかもしれない。 そのためには、どのような種類の合体が起こるのか、それぞれの種類がどれくらいの頻度で起こるか、各種類がどの元素をどのくらいの量生成するのか、超新星などの他の現象がどのような役割を果たすのかを知る必要がある。 それはまだ始まったばかりの気の遠くなるような取り組みです。

「周期表のすべての元素が形成される天体物理学的サイトを解明するという中核的な目標がまだあります」とレヴァン氏は言う。 「まだ空白が残っているので、これがそれらの重要な空白のいくつかを埋め始めていると考えています。」

編集者注: フラットアイアン研究所はサイモンズ財団から資金提供を受けており、この財団は編集上独立したこの雑誌にも資金を提供しています。 フラットアイアン研究所もシモンズ財団も、私たちの報道に対していかなる影響力も持ちません。 さらに詳しい情報が入手可能 こちら.