Home 金沢大学理工研究域先端宇宙理工学研究センター/数物科学系の有元诚准教授および东京大学宇宙线研究所高エネルギー宇宙线研究部门の浅野胜晃教授、広岛大学宇宙科学センターの川端弘治教授、东北大学学际科学フロンティア研究所の当真贤二教授、メキシコ国立自治大学、イスラエル?オープン大学を含む国际共同研究グループは、フェルミ宇宙ガンマ线望远镜卫星(フェルミ卫星)(※1)と东広岛天文台かなた望远镜(※2)を用いて、宇宙最大の爆発现象であるガンマ线バーストからのガンマ线と可视光偏光の同时観测に成功しました。ガンマ线バーストは、光速に近い速さでブラックホールからジェットが喷き出し、そのジェットからガンマ线が放射されると考えられているものの、その放射メカニズムやジェット駆动机构は谜に包まれていました。本研究ではガンマ线と可视光の同时観测により、ジェット内部を逆方向に进む衝撃波(※3)がガンマ线放射に大きく寄与していることが初めて分かりました。さらに、本研究では、光の向きの偏りを调べることができる偏光観测を爆発発生から80秒后という极めて早い时间帯で観测できました。このことは、?ガンマ线バーストのジェット内部に2种类の衝撃波が存在し、それぞれの衝撃波の磁场构造が全く异なる?ことも新たに明らかにしました。ジェット内部で作られる衝撃波によって高エネルギー粒子が诞生し、その粒子が磁场と作用することでガンマ线が生じると考えられています。つまり、ガンマ线の放射起源を知る上で、磁场はなくてはならない情报であり、ガンマ线を放つジェット内部の磁场构造を明らかにできたのは本研究が初めてです。また、ジェットを光速近くまで加速する机构として、磁场駆动モデルが提案されていますが、そうしたモデルに制限を与える重要な结果となります。
本研究により、ガンマ线バーストの放射メカニズムやジェットの组成?生成の理解が大きく进展しました。光速まで加速されたジェットはガンマ线バーストだけでなく、さまざまな天体现象でも存在しており、本研究の成果が多くの谜に満ちたジェットの解明にも繋がる可能性があります。さらに今回のような広い波长での同时観测が、今后のマルチメッセンジャー天文学においても大きな役割を果たすことが期待されます。
本研究成果は、2023年11月23日16时(英国时间)に英国科学誌Nature Astronomyのオンライン版に掲载されました。
ガンマ线バーストは、数秒から数百秒の短い时间で爆発的にガンマ线を放つ天体现象です。宇宙のあらゆる天体现象より明るく辉く爆発现象でありながら、いつどこでガンマ线バーストが起きるか分からないため、事前に予测して観测することが难しくその正体はよく分かっていませんでした。これまでの多くの観测や理论研究によって、太阳よりもずっと重い星が自身の重力で溃れて崩壊するときに、ガンマ线バーストが起きると考えられています。星が崩壊し、中心部にブラックホールが生まれた瞬间に、プラズマのジェットが光速に近い速度で喷き出し、ジェットの内部で衝撃波が形成されます。そして、その衝撃波の中で高エネルギー粒子が加速され、磁场と相互作用することでガンマ线を放射すると考えられています。しかし、このガンマ线バーストのジェットを万物の速度の极限ともいえる光速に近い速度までどのように加速し、衝撃波の内部にどのような磁场が形成されてガンマ线が生まれるのかよく分かっていませんでした。
ガンマ线バーストのイメージ図
(Copyright: 2023 金沢大学、イラスト制作：武重隆之介?髙橋壮一)
2018年7月20日に、フェルミ衛星やその他のガンマ線バースト観測衛星が、うお座の近くの方向の61億光年(※4)の彼方より到来するガンマ線を検出しました。このガンマ線バーストは GRB 180720B(※5)と名付けられ、このガンマ線バーストを検出した観測衛星が直ちにその位置をアラート情報として地上望遠鏡に知らせました。この時、フェルミ衛星は高エネルギーのガンマ線をおよそ1,000秒にわたって検出することに成功しました。そして、衛星からのアラートを受けて、地上で最初に観測できたのが、かなた望遠鏡でした。かなた望遠鏡は、ガンマ線バーストが発生してから、80秒後という極めて早い時間帯で可視光観測することに成功しました。ガンマ線バーストは爆発した後にすぐに暗くなってしまうため、早く観測できたことで極めて良質のデータを得ることができました。さらに特筆すべきは、かなた望遠鏡は他の地上望遠鏡では観測が難しい?偏光?情報も得られたことであり、高エネルギーガンマ線の発生と同時に偏光検出に成功した観測は本研究が初めてです。
かなた望远镜が観测したガンマ线バーストからの可视光放射は、シンクロトロン放射(※6)によって起きると考えられており、偏光という光の偏りを见ることで放射が起きている现场の磁场构造を知ることができます。そして、得られたデータを详细に解析したところ、光速に近い速度で喷き出しているジェットの内部に、ジェットの进む方向とは反対方向に进む衝撃波が発生し、そこから可视光やガンマ线が强く出ていることが分かりました(図の①部分)。この放射はガンマ线バーストが発生してから数百秒しか発生していなかったため、フェルミ卫星とかなた望远镜がガンマ线バースト発生直后からすぐに観测に成功したことがこの研究成果に繋がっています。さらに偏光情报を用いることで、逆方向に进む衝撃波の中の磁场构造がトロイダル磁场(※7)と呼ばれるドーナツの形をしており(以下、ドーナツ型の磁场)、さらに磁场の向きが綺丽に揃っておらず、乱流(※8)と呼ばれる非常に乱れた构造をしていることも分かりました。そして、逆方向の衝撃波の放射が终わった后、ジェットの进行方向と同じ向きに进む衝撃波からガンマ线が観测されました。このジェットと同じ向きに进む衝撃波の磁场构造はドーナツ型ではなく放射状の构造(図の②部分)を持っており、2种类の衝撃波でまったく异なる磁场构造をしていることが分かりました。特に逆方向に进む衝撃波は、ガンマ线バーストのジェット内部の情报を持っており、我々人类に光速ジェットの起源に関するヒントを与えてくれます。
ここで、ガンマ線バーストのジェットを光速近くまで加速するメカニズムの一つとして、ブラックホールを貫く磁場(※9)を介し、ブラックホールの回転エネルギーでジェットを加速する磁場駆動モデル(図の③部分)が理論的に提案されています。この磁場駆動モデルでは、ブラックホールの回転によって磁場がねじれ、ジェットの内部にはドーナツ型の磁場が作られることが予言されていました。本研究によって、逆方向に進む衝撃波の中でドーナツ型の磁場が観測されたことは、この磁場駆動モデルを支持する結果となっており、爆発的エネルギーを生み出すジェットの謎を解明する大きな一助と言えます。 また磁場の乱流が観測されたことも非常に重要であり、衝撃波の内部でガンマ線を生み出す粒子を、高いエネルギーまで効率よく加速するために、磁場の乱流が必要と考えられてきました。今回の研究で得られた結果は、これらの理論モデルの妥当性を示す直接的な証拠であると言えます。
本研究により、これまで未解明だったガンマ线バーストの光速近くまで加速されたジェットや、高エネルギーのガンマ线を生み出す衝撃波の生成机构に大きく迫ることができました。
近年では超高エネルギーガンマ线の観测により、従来の定説であったシンクロトロン放射では説明できない高エネルギーのガンマ线放射が见つかり、ガンマ线が生まれるメカニズムの理解が徐々に进みつつあります。そして、このガンマ线の生成に、必要な磁场を直接観测できる偏光観测はとても贵重であり、本研究はその先駆けとなる研究成果と言えます。また、ガンマ线バーストから生み出される光速近くまで加速されたジェットは、银河などさまざまな天体でも観测されており、その起源はいまだに分かっておらず、宇宙最大の谜の一つとも言われています。本研究の成果が、多くの谜に満ちたジェットの解明にも繋がる可能性があります。
さらに、近年では重力波やニュートリノと言った电磁波ではない信号が注目を浴びており、これらの信号が、我々人类に全く新しい次元の物理情报を提供してくれます。そこで、本研究で行ったような広いエネルギー帯域での电磁波観测に加えて、重力波やニュートリノ観测を融合した?マルチメッセンジャー天文学?を推进することが、近年の天文学の大きなトレンドになっており、本研究に参画しているメンバーはこのマルチメッセンジャー天文学を推进しています。
ガンマ线バーストのイメージ図
(Copyright: 2023 金沢大学、イラスト制作：武重隆之介?髙橋壮一)
| 本研究は、日本学术振兴会卓越研究员事业?齿线?γ线で明らかにする重力波候补天体ガンマ线バーストの起源?、文部科学省科学研究费补助金 新学术领域研究(研究领域提案型)?高エネルギー観测で探る重力波天体?(17贬06362)、学术変革领域研究(础)?マルチメッセンジャー宇宙物理学：静的な宇宙から跃动する宇宙へ?(23贬04898)、金沢大学超然プロジェクト?宇宙创成?极限时空研究拠点の形成?、大学共同利用机関法人高エネルギー加速器研究机构、闯础齿础宇宙科学研究所等の支援を受けて実施されました。 |
※1 フェルミ宇宙ガンマ线望远镜卫星(フェルミ卫星)
日米欧の国际チームで开発された高エネルギーガンマ线観测用天文卫星であり、2008年に打ち上げられた。全天をサーベイしながら、広い天域を常に监视している。日本のフェルミ卫星チームは、金沢大学に加え、広岛大学、东京大学、名古屋大学、早稲田大学、茨城大学、大阪大学、立教大学、青山学院大学、山形大学等の研究者で构成されている。
フェルミ卫星に搭载されたガンマ线大面积望远镜は、日本が开発に大きく贡献したものであり、打ち上げ后も日本人メンバーがデータモニター、突発天体监视、データ解析などで贡献を続けている。
※2 かなた望远镜
広岛大学宇宙科学センターが运用する口径1.5尘の光学望远镜で、2006年に竣工した同センター附属东広岛天文台に据えられている。ガンマ线バーストのアラートが届くと即座にその到来方向へ望远镜を向けて可视光偏光観测を开始するなど、宇宙の突発现象の観测的研究においてユニークな活跃を见せている。
※3 衝撃波
流体が音速の速度を超えて流れている时に、音速を超えた超音速の领域と低い速度の领域の境で、圧力などが急激に変化して生じる不连続面のことを言う。この衝撃波によって、运动エネルギーが热エネルギーなどに変换され、高エネルギー粒子の加速に対して大きな役割を担っている。
※4 光年
光は有限の速度を持っており、光の速度で一年かけて进んだ距离のことを光年という。
※5 骋搁叠180720叠
ガンマ線バースト(Gamma-Ray Burst, GRB)は、その爆発が起きた日にちを基に名付けられる。今回は、2018年7月20日に起きたため、GRB180720Bとなった。なお、文字列最後のBは、その日の2番目に起きたバーストであることから、アルファベットの2番目のBを用いるという規則から割り当てられている。
※6 シンクロトロン放射
磁场中を运动する高エネルギーの荷电粒子が、磁场中で円运动またはらせん运动をするとき、轨道の中心方向に加速度を受けて电磁波が放射される现象。
※7 トロイダル磁场
回転轴などの轴周りに対称に作られる磁场。轴を真上から见ると磁场はドーナツ型の形状になる。
※8 乱流
流体中で不规则で乱れた状态の流れのこと。天体现象の多くで、乱流が大きく関连していると考えられている。
※9 ブラックホールを贯く磁场
ブラックホールは回転していると考えられており、その回転エネルギーを引き抜くことで莫大なエネルギーを得ることができる。そこでこのエネルギーを引き抜く方法として、磁场を用いた理论モデルが提唱されている。
■研究内容に関すること
金沢大学理工研究域先端宇宙理工学研究センター/数物科学系 准教授
有元 诚(ありもと まこと)
罢贰尝：076-264-5737&苍产蝉辫;
贰-尘补颈濒：补谤颈尘辞迟辞＊蝉别.办补苍补锄补飞补-耻.补肠.箩辫
広岛大学宇宙科学センター/センター长 教授
川端 弘治(かわばた こうじ)
罢贰尝：082-424-7371&苍产蝉辫;
贰-尘补颈濒：办补飞补产迟办箩＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
■広报担当
金沢大学理工系事务部総务课総务係
野口 美雪(のぐち みゆき)
罢贰尝：076-234-6957
贰-尘补颈濒：蝉-蝉辞尘耻＊补诲尘.办补苍补锄补飞补-耻.补肠.箩辫
広岛大学広报室
権田 敏伸(ごんだ としのぶ)
罢贰尝：082-424-6762
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2023年11月24日
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