速度は光速の99.7%もあった！ 中性子星同士の連星による合体で放出されるジェット

2017年8月に観測された重力波現象“GW170817”は、中性子星同士の連星が合体して爆発する“キロノバ”という現象で発生したものでした。
その追観測データから分かったこと、それは重力波源となった中性子星の合体で光速の99.7%に達するジェットが発生していたことでした。

中性子星同士の連星が融合して爆発する現象

2017年8月に欧米の重力波検出装置“LIGO”と“Virgo”で検出された重力波“GW170817”。
それは、中性子星同士の連星が融合して爆発する“キロノバ”という現象で発生したものでした。

“キロノバ”は、中性子星の連星または中性子星とブラックホールの連星が融合することによって発生すると考えられている爆発現象。白色矮星への質量降着による爆発で生じる新星（ノバ）の約1000倍の明るさに達することからキロノバと呼ばれる。超新星（スーパーノバ）と比べると10分の1から100分の1程度の明るさになる。中性子を多く持つ鉄より重い元素のほぼ半分を合成すると考えられている。

この現象では、重力波の検出後から数週間にわたって、ハッブル宇宙望遠鏡をはじめとする宇宙・地上の様々な望遠鏡が重力波源の位置に残された残光の追観測を実施。
“マルチメッセンジャー天文学”の成功例になっています。

マルチメッセンジャー天文学とは、電磁波や重力波、ニュートリノ、宇宙線などを協調して観測することで行う天文学。それぞれが異なる発生メカニズムを持っているので、これらの観測結果を総合することで発生源の正体に迫ることが可能になる。

さらに、重力波の検出から2秒後には、小規模なガンマ線バーストも観測されていました。

光速の99.7%で放出されるジェット

アメリカ・カリフォルニア工科大学の研究チームでは、ハッブル宇宙望遠鏡のデータに、電波望遠鏡によるVLBI観測のデータやヨーロッパ宇宙機関の位置天文衛星“ガイア”のデータを組み合わせて分析を実施。
“GW170817”で発生したジェットが、時間の経過とともにどう変化したのかを明らかにしています。

遠く離れた場所にある複数の電波望遠鏡が協力して同時に観測を行うと、口径の大きい電波望遠鏡を使うのと同様の性能を得ることができる。このように複数の電波望遠鏡の観測データを合成して、一つの観測データとして扱う手法を“VLBI（Very Long Baseline Interferometry : 超長基線電波干渉計）”という。

分析の結果、天球上の爆発の発生位置をきわめて正確に特定。
また、強力な磁場で細く絞られたビーム状のジェットに沿って爆発の衝撃波が外へと移動し、ジェットの物質が周囲の星間物質と衝突した様子などが詳しく明らかになりました。

特に、ハッブル宇宙望遠鏡のデータの分析からは、爆発で発生したジェットの見かけの速度が光速の7倍に達していることが示されています。

一方、爆発から数か月後に行われた電波観測では、ジェットの見かけの速度が光速の4倍に減速していることも分かります。

宇宙ジェットの速度が光速を超えているように見える現象は“超光速運動”と呼ばれ、活動銀河核などで発生した光速に近いジェットが地球に向かって噴き出している場合によく見られます。

光速を超えているのは、あくまでも見かけだけで、実際のジェットの物質は光速以下で運動しています。

研究チームでは、この“超光速運動”の分析から、ジェットの根元での速さと噴き出す細さをこれまでにない精度で求めます。

その結果、ジェットは放出された時点で少なくとも光速の99.7%で動いていたことを示していました。

連星中性子星の合体で発生するジェットのイメージ図。中性子星の合体では新星爆発の1000倍に達するエネルギーが解放される。合体後には、強力な磁場で細く絞られた、光速に近い速度のジェットが放出される。（Credit: Artwork: Elizabeth Wheatley (STScI)）

中性子星合体とショートガンマ線バースト

中性子星連星合体のモデルでは、まず中性子星同士が合体して重量崩壊を起こし、ブラックホールが出来ます。

そのブラックホールの周りに残された物質の一部は、強力な重力で引き寄せられて降着円盤を形成。
やがて、円盤の回転軸に沿って光速に近い（＝相対論的な速度の）ジェットが両極から放出されます。

これまで、ショートガンマ線バーストの発生源は中性子星の合体ではないかと長年にわたって推測されてきました。
でも、この両者の関連を示すには、中性子星合体の現場で相対論的ジェットが発生している証拠が必要だったんですねー

そう、今回の研究成果は、これまで考えられてきた中性子星合体のシナリオに沿うものであると同時に、中性子星合体とショートガンマ線バーストの間に関わりがあることを大きく裏付けるものと言えますね。

今回の研究成果の紹介動画“Hubble Reveals Ultra-Relativistic Jet”（Credit: NASA Goddard）

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