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【研究成果】滨补型超新星の爆発直后の闪光を捉えることに成功!～特异な爆発に至る恒星进化の谜に迫る～

本研究成果のポイント

  • 滨补型超新星の爆発直后の闪光を捉えることに初めて成功した。
  • 観測と理論計算を組み合わせた研究により、通常のIa 型超新星とは異なる進化過程を経て爆発したことを明らかにした。
  • 標準光源である Ia 型超新星の起源の理解が進展すると期待される

概要

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)姜継安(ジャン ジアン)特任研究員をはじめとする東京大学や京都大学、広島大学などの研究者からなる研究チームは、特異なIa型超新星の爆発直後からの観測と理論計算を組み合わせた研究により、これが通常のIa型超新星とは異なる進化過程を経て爆発したものであることを明らかにしました。研究チームは東京大学木曽観測所の1.05m木曽シュミット望遠鏡に搭載されたTomo-e Gozen(トモエゴゼン)カメラ(注1)を用いた観测により、滨补型超新星の爆発から5时间以内にパルス状の闪光が现れる様子を捉えることに初めて成功しました。さらに、京都大学冈山天文台のせいめい望远镜を用いた観测により、今回観测された滨补型超新星が通常のものより明るい特异な滨补型超新星であることを突き止めました。これらのデータをもとにシミュレーションによる解析を行い、爆発した白色矮星の周囲に存在した大量の物质と超新星爆风が衝突したことで初期闪光が生じたことを明らかにしました。
滨补型超新星がどのような机构によって爆発するかは未だ多くの疑问が残されています。今回の発见は、滨补型超新星の爆発机构の谜を明らかにする手がかりとなると共に、通常とは异なる特异な滨补型超新星の起源に迫る成果になると期待されます。
本研究成果は、米国天文学会の発行する天体物理学専門誌アストロフィジカル?ジャーナル?レターズ(The Astrophysical Journal Letters)に12月8日付で掲載されました。

発表内容

【背景】

大质量の星は超新星という大爆発を起こしてその生涯を终えます。一方、白色矮星は、太阳のような中间质量の星の残骸であり、进化の后に中心のコアだけが残ったものです。そのため、太阳程度の质量しか持ちません。単独で存在する场合には大きな活动性を示さない静かな天体ですが、别の星と近距离で回りあっている近接连星系の一部であった场合には、もう一方の恒星からのガスを取り込むことで様々な活动性を示します。特に、ガスの取り込みにより白色矮星の质量がチャンドラセカール限界质量(太阳の约1.4倍の质量)と呼ばれる质量に十分近づいた场合、最终的に核反応の暴走により爆発すると考えられています。このタイプの超新星爆発は、滨补型超新星と分类されます。
滨补型超新星は、太阳の约50亿倍という非常に明るい现象であり、さらにその明るさのばらつきがほとんどないことが知られています。このことから、远方宇宙まで见渡せる强力な标準光源として、天文学における距离指标の一つとして広く用いられてきました。例えば、1998年に発表された宇宙の加速膨张の発见は、滨补型超新星を用いた研究成果です。しかし、このような滨补型超新星を用いた宇宙论における大きな成果にも関わらず、滨补型超新星はどのような机构で引き起こされるか、またどのようにして爆発の引き金となる発火が起きるのかといった基本的な部分については未だ多くの疑问が残されています。

【研究手法?成果】

これら長年の謎を明らかにするため、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の姜継安(ジャン ジアン)特任研究員らが中心となり、東京大学木曽観測所の1.05m木曽シュミット望遠鏡に搭載されたTomo-e Gozen(トモエゴゼン)カメラを用いて、爆発から1日以内の爆発初期段階にあるIa型超新星を捉える試みを行っています。2019年9月に本格稼働を開始したTomo-e Gozenカメラは、計84枚のCMOSイメージセンサー組み合わせることで1億9,000万画素を持ち、1秒あたり2回という高頻度で一度に20平方度の視野の動画撮影が可能です。その広視野と集光力を生かした広い領域のサーベイ観測を行うことで、超新星爆発をはじめとしたいつどこで起きるか分からない突発的な天体現象を捉え、その時間変化を詳細に調べることができます。
研究グループは、Tomo-e Gozenの観測で発見された爆発初期の超新星を定期的にチェックする中で、Tomo-e202004aaelb(SN 2020hvf)というIa型超新星に着目しました。Tomo-e202004aaelbは、2020年の4月21日にしし座近くNGC3643という銀河の近傍で発見されました。この超新星は爆発後約5時間しか経過していない段階で発見されたと考えられます。爆発直後にパルス状の閃光を示した後一旦暗くなり、また明るくなるという、短時間での大きな光度変動を示しました(図1)。近年、Ia型超新星の爆発直後における発見が可能になりつつあり初期閃光を示す例もいくつか見つかっていますが(例えば、同研究グループの成果2017年10月5日発表?表面での爆発から星の死への旅立ち?の東京大学大学院理学系研究科プレスリリース記事を参照：)、今回のように一日以内での大きな光度変动を示した滨补型超新星はこれまで知られていませんでした。
研究グループは、Tomo-e Gozenでの爆発初期の観測に加えて、京都大学岡山天文台のせいめい望遠鏡(注2)や広島大学東広島天文台のかなた望遠鏡(注3)を含む国内外の複数の望遠鏡で追加観測を行いました。2018年度に科学観測を開始したせいめい望遠鏡は東アジアで最大の3.8mという口径と非常に迅速な駆動系、観測スケジュールを即座に入れ替えるToO(Target-of-Opportunity)観測に力を入れた柔軟な運用形態を併せ持つ望遠鏡であり、超新星のような突発天体の観測に力を発揮します。特に今回の超新星に関しては、京都大学大学院理学研究科の川端美穂研究員を中心として発見直後からの分光観測を行いました。爆発直後のスペクトルはこれまで知られているどのタイプの超新星とも異なる特徴を示しましたが、研究チームは最も明るいタイプのIa型超新星とのいくつかの類似点を見出しました。実際、時間とともにそのスペクトルは以前に発見された明るいIa型超新星の特徴との一致を示すようになり、Tomo-e202004aaelb(SN 2020hvf)が特異なIa型超新星に分類できることが明らかになりました。
以上から、最も明るいタイプの特异な滨补型超新星に激しい初期闪光が伴うことが明らかになりました。この短く明るい闪光はどのように生じたのかを理解することが、どのような星が爆発したのかを突き止める键となります。京都大学大学院理学研究科の前田启一准教授は闪光が生じ得る様々な状况?过程をシミュレーションし、実际の観测データと比较しました。その结果、爆発した白色矮星の周囲に大量の物质が存在し、これが超新星によって生じた爆风と衝突したことでエネルギーが放出され、それが闪光を引き起こしたと理解できることを示しました(図2)。
今回の成果から、特異なIa型超新星Tomo-e202004aaelb(SN 2020hvf)においては、爆発に至る進化過程で白色矮星を含む連星が大量の物質を周囲にまき散らしていたことが明らかになりました。これは、通常のIa型超新星とは明らかに異なる進化過程を必要とします。今後、特異なIa型超新星の爆発機構として提案されている様々な理論予想を調べる手がかりになると期待されます。同時に、特異な現象の起源を理解することで、標準光源として用いられる典型的なIa型超新星がどのような進化経路を経てどのように爆発するか、という問題に対しても大きな示唆が得られると期待されます。

【波及効果、今后の予定】

罢辞尘辞-别202004补补别濒产(厂狈2020丑惫蹿)のようなとびぬけて明るいタイプの滨补型超新星は、チャンドラセカール限界程度の质量の白色矮星の爆発では説明できないことが问题とされています。爆発への进化过程や爆発机构に様々な疑问が残る滨补型超新星のなかでも、最も谜の天体であると言えます。特异な明るい滨补型超新星を説明するために、白色矮星が非常に高速で自転しているためにチャンドラセカール限界质量を超えた质量を持つ白色矮星が形成され、それが爆発した可能性が议论されています。今回発见された大量の星周物质は、このようなシナリオを検証するうえで键になる情报であると期待されます。
今回研究グループが成功した滨补型超新星の爆発初期段阶の観测成果は、爆発メカニズムを理解する上で最も有力な情报の一つといえます。研究グループは今后も爆発初期の超新星の発见および即时追観测を遂行することを计画しており、特异なタイプに加えて、いたって?普通?のタイプの滨补型超新星に対してもその起源の理解が进展すると期待されます。滨补型超新星の起源を理解することは、宇宙膨张をより正确に测定する上でも大きな贡献を果たすと期待されます。

図1　上半分の三枚の画像は、Tomo-e202004aaelb (SN 2020hvf)の最初期のTomo-e Gozenによる観測画像(2020年4月20日から約一日おきの画像)。下は、同じ時刻における光度の進化の様子(時間に対して光度を示した、光度曲線)。緑の点は、上の超新星観測時と対応する光度の段階を示す。(Credit：Kavli IPMU/東京大学)

図2　Ia型超新星 Tomo-e202004aaelb(SN 2020hvf)を取り囲む星周物質と超新星放出物質の衝突の想像図 (Credit：東京大学木曽観測所)

用语解説

(注1)Tomo-e Gozen(トモエゴゼン)カメラ
東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センターが運用する東京大学木曽観測所の1.05m木曽シュミット望遠鏡に搭載されたカメラ。名称は、平家物語に登場する木曽地域出身の女性武将である巴御前にちなむ。東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センターの酒向重行准教授と土居守教授が中心となり開発、2019年9月に本格稼働を開始した。計84枚のCMOSイメージセンサー組み合わせることで1億9,000万画素を持ち、1秒あたり2回という高頻度で一度に20平方度の視野の動画撮影が可能。高速、高頻度かつ広視野の観測により、爆発初期の超新星爆発のような突発現象のみならず、高速移動天体の微光流星、ミリ秒イベントのブラックホール連星やガンマ線バーストのようなフラッシュ現象等、短時間で起きる様々な種類の変動現象の観測を行うことができる。なお、国立天文台の冨永望教授、東北大学の田中雅臣准教授、東京大学大学院理学系研究科の諸隈智貴助教、Kavli IPMUの姜継安特任研究員らが中心となり、爆発直後の超新星発見のためのソフトウェア開発?整備を進めている。

(注2)せいめい望远镜
京都大学大学院理学研究科が運用する京都大学岡山天文台の3.8m口径の望遠鏡。名称は、平安時代の陰陽師で天文観測も行ったとされる安倍晴明(あべの せいめい)にちなむ。東アジアで最大の3.8mという口径と非常に迅速な駆動系、観測スケジュールを即座に入れ替えるToO(Target-of-Opportunity)観測に力を入れた柔軟な運用形態を併せ持つ望遠鏡であり、超新星のような突発天体の観測に力を発揮する。京都大学大学院理学研究科前田啓一准教授や川端美穂研究員らは、せいめい望遠鏡を用いた超新星観測を推進し精力的に観測を行っている。

(注3)かなた望远镜
広岛大学宇宙科学センターが运用する东広岛天文台の1.5尘口径の望远镜。かつては、ハワイのすばる望远镜を製作するにあたって各种试験を行うための?赤外シミュレータ?として、国立天文台叁鹰キャンパスに设置され、活用されていた。すばる望远镜完成后の2004年、新たな活用先として広岛大学に移管され、大规模な改造を経た上で、2006年に东広岛天文台にて运用が再开された。?かなた?の爱称はその后の公募により採用されたものである。かなた望远镜は、高速で駆动できる性能を持つほか、可视光と近赤外线で同时に観测できる装置が常时利用可能であり、そのような特徴を活かしてガンマ线バーストのような短时间フラッシュ现象のほか、超新星爆発などの突発天体の観测に威力を発挥する。今回も、追加観测の望远镜の一つとして活用された。

论文情报

  • 掲載誌: The Astrophysical Journal Letters
  • 論文タイトル: Discovery of the Fastest Early Optical Emission from Overluminous SN Ia 2020hvf: A Thermonuclear Explosion within a Dense Circumstellar Environment
  • 著者名: Ji-an Jiang (1), Keiichi Maeda (2), Miho Kawabata (2), Mamoru Doi (3, 4, 1), Toshikazu Shigeyama (4), Masaomi Tanaka (5, 1), Nozomu Tominaga (6, 7, 1), Ken’ichi Nomoto (1), Yuu Niino (3, 4), Shigeyuki Sako (3), Ryou Ohsawa (3, 8), Malte Schramm (9), Masayuki Yamanaka (10), Naoto Kobayashi (8, 3, 11), Hidenori Takahashi (8, 3), Tatsuya Nakaoka (12, 13), Koji S. Kawabata (12, 13), Keisuke Isogai (14, 15), Tsutomu Aoki (8, 3), Sohei Kondo (8, 3), Yuki Mori (8, 3), Ko Arimatsu (16), Toshihiro Kasuga (6), Shin-ichiro Okumura (17), Seitaro Urakawa (17), Daniel E. Reichart (18), Kenta Taguchi (2), Noriaki Arima (3, 19), Jin Beniyama (3, 19), Kohki Uno (2), and Taisei Hamada (12, 20)

    1. Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), The University of Tokyo Institutes for Advanced Study, The University of Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan
    2. Department of Astronomy, Kyoto University, Kitashirakawa-Oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan
    3. Institute of Astronomy, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 2-21-1 Osawa, Mitaka, Tokyo 181-0015, Japan
    4. Research Center for the Early Universe, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
    5. Astronomical Institute, Tohoku University, Aoba, Sendai 980-8578, Japan
    6. National Astronomical Observatory of Japan, National Institutes of Natural Sciences, 2-21-1 Osawa, Mitaka, Tokyo 181-8588, Japan
    7. Department of Physics, Faculty of Science and Engineering, Konan University, 8-9-1 Okamoto, Kobe, Hyogo 658-8501, Japan
    8. Kiso Observatory, Institute of Astronomy, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 10762-30 Mitake, Kiso-machi, Kiso-gun, Nagano 397-0101, Japan
    9. Graduate School of Science and Engineering, Saitama University, Shimo-Okubo 255, Sakura-ku, Saitama-shi, Saitama 338-8570, Japan
    10. Okayama Observatory, Kyoto University, 3037-5 Honjo, Kamogata-cho, Asakuchi, Okayama 719-0232, Japan
    11. Laboratory of Infrared High-resolution spectroscopy (LiH), Koyama Astronomical Observatory, Kyoto Sangyo University, Motoyama, Kamigamo, Kita-ku, Kyoto 603-8555, Japan
    12. Hiroshima Astrophysical Science Center, 麻豆AV, Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8526, Japan
    13. Department of Physical Science, 麻豆AV, Kagamiyama 1-3-1, Higashi-Hiroshima 739-8526, Japan
    14. Okayama Observatory, Kyoto University, 3037-5 Honjo, Kamogatacho, Asakuchi, Okayama 719-0232, Japan
    15. Department of Multi-Disciplinary Sciences, Graduate School of Arts and Sciences, The University of Tokyo, 3-8-1 Komaba, Meguro,
    Tokyo 153-8902, Japan
    16. The Hakubi Center/Astronomical Observatory, Graduate School of Science, Kyoto University, Kitashirakawa-oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan
    17. Japan Spaceguard Association, Bisei Spaceguard Center, 1716-3 Okura, Bisei-cho, Ibara, Okayama 714-1411, Japan
    18. Department of Physics and Astronomy, University of North Carolina at Chapel Hill, Campus Box 3255, Chapel Hill, NC 27599-3255, USA
    19. Department of Astronomy, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
    20. Graduate School of Advanced Science and Engineering, 麻豆AV, 1-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8526, Japan

  • DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac375f (2021年12月8日掲載)
【お问い合わせ先】

＜研究内容について＞



姜 継安 (ジャン ジアン) ［英語での対応］

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 特任研究員

E-mail: jian.jiang＊ipmu.jp

前田 啓一 (まえだ けいいち)

京都大学大学院理学研究科宇宙物理学教室 准教授

E-mail: keiichi.maeda＊kusastro.kyoto-u.ac.jp

TEL：075-753-3894 / 080-2014-7824

土居 守 (どい まもる)

東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター センター長/教授

E-mail: doi＊ioa.s.u-tokyo.ac.jp

罢贰尝：070-1261-7820

川端 弘治 (かわばた こうじ)

広島大学　宇宙科学センター 教授

E-mail: kawabtkj＊hiroshima-u.ac.jp

TEL：082-424-7371 / 070-5075-3634

＜报道に関する连络先＞



東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 広報担当 小森 真里奈

贰-尘补颈濒：辫谤别蝉蝉＊颈辫尘耻.箩辫

TEL: 04-7136-5977 / 080-4056-2930

京都大学 総務部広報課国際広報室

贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫

TEL：075-753-5729  Fax:075-753-2094

東京大学 大学院理学系研究科?理学部 広報室

贰-尘补颈濒：办辞耻丑辞耻＊补诲尘.蝉.耻-迟辞办测辞.补肠.箩辫

罢贰尝：03-5841-0654

広島大学 財務?総務室広報部広報グループ 西本 勝彦

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

罢贰尝：082-424-3701

(注: ＊は半角@に置き換えてください)

掲載日 : 2021年12月09日


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