長波長ガンマ線バーストの既成概念を覆す「キロノバ」の検出に成功

2秒未満のガンマ線バーストは中性子星の合体。２秒を超えるガンマ線バースト（GRB）は大質量星の崩壊によってのみ発生すると考えてきましたが、今回の５０秒に及ぶGRBは中性子星の合体もしくは中性子星とブラックホールの合体の時に発生するキロノバを検出した。以下、www.DeepL.com/Translator（無料版）で翻訳しました。
長波長ガンマ線バーストの既成概念を覆す「キロノバ」の検出に成功
投稿日: 2022年12月7日

この図では、2つの中性子星が合体し始め、高速粒子のジェットを吹き出し、破片の雲を作り出しています。このような現象が、金を含む宇宙の重元素の大部分を作り出していると考えられている。
出典：A. Simonnet (Sonoma State University) and NASA's Goddard Space Flight Center
長いガンマ線バーストは中性子星の合体で発生することが判明
ハワイ州マウナケア - 20 年近くもの間、天体物理学者は長いガンマ線バースト（GRB）は大質量星の崩壊によってのみ発生すると考えてきました。このたび、新しい研究により、この長年にわたって確立され、受け入れられてきた信念が覆されました。
ノースウェスタン大学を中心とする天体物理学者のチームは、これまで短いGRBによってのみ生じると信じられていた中性子星の合体によっても、少なくともいくつかの長いGRBが生じることを示す新たな証拠を発見したのです。
2021年12月に50秒の長いGRBを検出した後、研究チームは長いGRBの残光（超新星の前にしばしば見られる、信じられないほど明るく、速く消えるバースト光）の探索を開始しました。しかし、その代わりに、キロノバという、中性子星と他のコンパクトな天体（別の中性子星かブラックホール）が合体した後にしか起こらない珍しい現象の証拠を発見しました。
この研究は、ハワイのマウナケア天文台、W. M. ケック天文台、ジェミニ天文台のデータを含んでおり、本日発行のネイチャー誌に掲載されています。
「この事象は、長いガンマ線バーストからこれまでに見たことがないように見えます」と、この研究を率いたノースウェスタン大学の博士課程学生、ジリアン・ラスティネジャド（Jillian Rastinejad）は述べています。「そのガンマ線は、大質量星の崩壊によって発生するバーストのものと似ています。これまで確認された中性子星の合体はすべて2秒以下のバーストを伴っていたことから、この50秒間のGRBは大質量星の崩壊によって生じたと考えるのが自然です。この現象は、ガンマ線バースト天文学のパラダイムシフトを象徴しています。
"この長いガンマ線バーストを追った時、我々は、それが大質量星の崩壊の証拠につながると予想していました。"と、ノースウェスタン大学のWen-fai Fongは、この研究のシニアオーサーとして語っています。「と、この研究の主執筆者であるノースウェスタン大学のウェンフェイ・フォンは語りました。私がこの分野に入った15年前は、長いガンマ線バーストは大質量星の崩壊によるものと決めつけられていました。この予想外の発見は、我々の理解に大きな変化をもたらすだけでなく、発見のための新しい窓を開くものであり、わくわくします。
フォング博士は、ノースウェスタン大学ワインバーグ・カレッジ・オブ・アーツ・アンド・サイエンスの物理学および天文学の助教授で、天体物理学の学際的探求と研究のためのセンター（CIERA）の主要メンバーでもあります。CIERAの博士課程学生でFong氏の研究グループの一員であるRastinejad氏が、この論文の筆頭著者です。
ビッグバン以来、最も明るく、最もエネルギーが高い爆発であるGRBは、2つのクラスに分類されます。2秒未満のGRBは短いGRBとみなされます。2秒より長い場合は、長いGRBとみなされます。これまで研究者たちは、この2つの線はそれぞれ別の起源を持つものだと考えていました。

方法論
NASAのニール・ゲールズ・スウィフト観測所バースト警報望遠鏡とフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡は、GRB211211Aと名付けられた明るいガンマ線のバーストを最初に発見しました。その後、ハワイのジェミニ天文台とアリゾナのMMT天文台で近赤外線で撮影したところ、信じられないほど暗い天体が現れ、すぐに消えました。超新星はすぐに消えてしまうことはなく、もっと明るいので、研究チームはこれまで不可能と思われていた意外なものを見つけたと実感しています。


赤丸で囲ったガンマ線バースト211211Aは、ボエテス座の約10億光年離れた渦巻き型銀河の外縁部で噴出したものである。NASA/ESAハッブル宇宙望遠鏡の広視野カメラ3とサーベイ用アドバンストカメラで撮影された。出典：NASA、ESA

今回の研究で不思議だったのは、この事象だけではありません。この GRB のホスト銀河は SDSS J140910.47+275320.8 と名付けられており、これもまた非常に不思議な存在である。ケック天文台の DEIMOS (DEep Imaging and Multi-Object Spectrograph) を使って、研究チームは GRB の起源を約11億光年離れた銀河まで追跡することに成功し、 GRB211211A はこれまでに発見された最も近い GRB の一つであることが明らかになりました。
さらに、ケック望遠鏡のデータから、この銀河は若くて星形成の盛んな銀河であり、中性子星の合体現象が起きた唯一の局所宇宙とは正反対であることが分かりました。GW170817 のホスト銀河 NGC4993 とは正反対です。
「GW170817が発見された後、多くの天文学者は、近傍の宇宙で中性子星の合体が起こる場所はNGC4993と同じような形をしていると考えていました」と、ノースウェスタン大学の大学院生で研究の共著者であるAnya Nugentは言いました。「しかし、この銀河はかなり若く、活発に星が形成されており、実際にはそれほど巨大ではありません。この銀河は、宇宙の深部で見られる短いGRBホストによく似ています。キロノバを探すときに、どのような銀河を見るべきか、我々の見方が変わったと思います。"

今後の課題
今回の新発見は、GRB の形成期間に関する長年の定説を覆すだけでなく、プラチナや金といった宇宙で最も重い元素の神秘的な形成についての新しい知見につながります。これまで、ヘリウムやシリコン、炭素などの軽い元素を生み出す天体の工場は研究されてきましたが、最も重い元素は超新星爆発や中性子星の合体によって生み出されると考えられてきました。しかし、超新星爆発や中性子星の合体によって重元素が生成される兆候はほとんど観測されていない。

「キロノバは、宇宙で最も重い元素のいくつかの放射性崩壊によって動きます」と、Rastinejadは言いました。「しかし、キロノバは観測が非常に困難で、すぐに消えてしまいます。今、私たちは、より多くのキロノバを探すために、いくつかの長いガンマ線バーストを使うことができることを知っています。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)の稼働により、天体物理学者はキロノバ内のより多くの手がかりを探すことができるようになる。JWSTは天体の画像とスペクトルを撮影することができるので、天体から放射される特定の元素を検出することができます。ウェッブ望遠鏡を使えば、重元素の形成過程を直接観測することができるかもしれません。

詳しくはこちら

ノースウェスタン大学プレスリリース 「驚きのキロノバ、長波長ガンマ線バーストの既成概念を覆す」(英語)
「NASA のミッションは、ゲームを変えるような宇宙爆発を探索する」 - NASA プレスリリース
ガンマ線バーストの謎に挑む「キロノバ」の発見 - NOIRLabプレスリリース

DEIMOSについて
DEIMOS (DEep Imaging and Multi-Object Spectrograph) は、ケック望遠鏡の観測装置の中で最大の視野 (16.7arcmin x 5 arcmin) と、最大のピクセル数 (64 Mpix) を誇る装置です。主に多天体モードで使用され、最大130個の銀河や恒星のスペクトルを同時に得ることができる。DEIMOSは、遠方銀河のフィールドを研究し、宇宙の最も遠いところを効率よく高感度で探査します。

W.M.ケック天文台について
W.M.ケック天文台の望遠鏡は、地球上で最も科学的に生産性の高い望遠鏡の一つです。ハワイ島マウナケア山頂にある2台の10m光学赤外線望遠鏡は、イメージャー、多天体分光器、高解像度分光器、積分視野分光器、世界トップレベルのレーザーガイド星補償光学システムなどの先進機器を備えています。ケック天文台は、カリフォルニア工科大学、カリフォルニア大学、アメリカ航空宇宙局からなる非営利団体で、501(c) 3 の科学パートナーシップとして運営されています。この天文台は、W.M.ケック財団の寛大な財政支援によって実現された。著者らは、マウナケア山頂がハワイ先住民のコミュニティの中で常に持っている非常に重要な文化的役割と尊敬を認識し、謝意を表したいと思います。この山から観測する機会を得たことは、私たちにとって最も幸運なことである。