決め手は質量と金属量にあった！ Ia型超新星爆発が作り出す大量のマンガンやニッケル

大質量の恒星が生涯を終える（燃え尽きる）と大規模な爆発現象“超新星爆発”を起こします。

でも多くの恒星は、太陽と同程度から数分の1程度の大きさの質量で、地球くらいの直径に縮小した高密度の天体“白色矮星”になるんですねー

今回の研究対象は、限界に近い質量を持った“白色矮星”が、太陽を越えるような高い金属量を持っていた場合に発生する現象。

数値シミュレーションが示したのは、“白色矮星”が起こすIa型超新星爆発で大量のマンガンやニッケルなどが作り出されることでした。


Ia型超新星は色んな元素を作ることができる

Ia型超新星は、高密度の星“白色矮星”と伴星とが連星を成しているとき、“白色矮星”が熱核反応の暴走を起こすことによって生じる爆発現象です。

鉄やニッケル、マンガン、ケイ素や硫黄などがIa型超新星爆発によって合成され、こうした元素が爆発で周囲にばら撒かれて、次世代の恒星や惑星、生命の材料になります。

Ia型超新星（イメージ図） 右の伴星の外装が左の“白色矮星”の重力に引かれて“白色矮星”に流れ込み、 “白色矮星”の質量が限界を超えると、Ia型超新星として爆発する。 伴星も“白色矮星”というモデルも提唱されている。

最近、多くの観測結果から分かってきたのが、Ia型超新星とその超新星残骸に含まれている元素の組成に多様性があること。
特にマンガンやニッケルなどが鉄の量に比べて多いという特徴が見られています。

たとえば、わし座の方向に位置する超新星残骸“3C 397”では、鉄に対するマンガンの存在比が太陽の値の2倍、鉄に対するニッケルの存在比だと太陽の4倍にもなることが観測されています。

これは、標準的な理論モデルでは説明出来ない特異な化学組成なんですねー

超新星残骸“3C 397” X線、可視光線、赤外線の各波長で観測した画像を合成している。

作られる元素は“白色矮星”の質量と金属量で決まる

“白色矮星”の特性や“白色矮星”になる前の星の特性の違いにより、爆発によって合成される元素の組成にどのようにな違いが生じるのか？

この違いを調べるため、今回の研究ではIa型超新星の多次元流体シミュレーションを用いています。

シミュレーションにより明らかになったのは、マンガンと鉄、ニッケルと鉄の存在比は、“白色矮星”の質量や金属量の影響を受けていること。

超新星残骸“3C 397”での存在比の値は、超新星の元になる“白色矮星”がチャンドラセカール質量と同じくらい重く、太陽より高い金属量を持っていれば説明が可能なことが示されます。
　　チャンドラセカール質量は理論上の白色矮星の上限質量、太陽の1.4倍程度になる。

異なる金属量を持つ“白色矮星”の爆発モデルが生成するニッケル（Ni）と鉄（Fe）、 マンガン（Mn）と鉄（Fe）の質量比。 赤は太陽と同じ金属量の“白色矮星”、青は太陽の5倍の気温属領に対応している。 矢印で示された方向に沿ったデータポイントは、 それぞれ太陽質量の1.30倍～1.38倍の質量を持つ“白色矮星”のモデルのデータを示している。

このことが示しているのは、“3C 397”が比較的軽い“白色矮星”の爆発で作られた超新星残骸ではないこと。

そして、一般的なのが、天の川銀河の円盤部分に存在る星の多くは、太陽の金属量に近いか下回る程度の金属量を持つこと。
でも、“3C 397”の爆発前の“白色矮星”は、太陽よりも高い金属量を持っていたと考えられるんですねー

今回の研究成果は、Ia型超新星を起こす“白色矮星”の質量がチャンドラセカール質量に近いか、それよりも小さいかという論争に重要な手がかりを与えるものになります。

また、太陽を超えるような高い金属量を持つ星の進化や、銀河の化学進化の研究にも重要性を示しています。

今後、より多くの観測データを用いたり、モデルを他のIa形超新星に拡張させたりして、シミュレーションでのテストをさらに進めるようです。


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太陽系外からやって来た天体“オウムアムア”の故郷はどこか？ 天文衛星“ガイア”のデータがカギ

どうやらその正体は彗星の可能性が高い“オウムアムア”。

太陽系外からやって来たことは分かっているのですが、故郷の恒星はまだ不明なまま…

今回、位置天文衛星“ガイア”のデータから、“オウムアムア”の故郷として4つの恒星候補が特定されたそうです。


太陽系外の恒星系からやって来た恒星間天体

2017年に発見された“オウムアムア”は、太陽系の外からやってきて、また太陽系の外へ帰っていくことが観測により分かっている天体です。

そう、“オウムアムア”は太陽系外の恒星系からやってきた史上初の“恒星間天体”になるんですねー

発見当初は小惑星だと考えられていたのですが、その後の観測や解析で分かってきたのは、彗星の可能性が高いということ。

ただ、どこの恒星から来たのかはまだ分かっていません。

オウムアムア（イメージ図）

“オウムアムア”と接近した4つの恒星

惑星系が形成される過程で惑星にならずに残ったものが彗星になると考えられています。

“オウムアムア”の場合には、故郷の惑星系が作られている途中で放出された可能性があるそうです。

“オウムアムア”の故郷を探し出すには、“オウムアムア”の軌道を過去に遡るだけでなく、過去数百万年の間に“オウムアムア”と近づいた可能性のある星についても検討が必要になります。

今回の研究では、2018年4月に公開された位置天文衛星“ガイア”の第2期データを使って、“オウムアムア”の故郷候補になる恒星を調査。

“ガイア”のデータには、天の川銀河にある恒星のうち10億個以上について、位置や距離、動きの情報が含まれています。

研究チームは、その中から700万個の星の動きについて調べ、かつて“オウムアムア”の軌道に近づいた4つの恒星を特定しています。

青は“オウムアムア”、 赤は“オウムアムア”の故郷とされる4つの候補天体、 太陽（黄色）の700万年の動きを示した図。

4つの恒星は太陽と同じくらいかそれよりも小さく、100万年前から700万年前の間に“オウムアムア”と接近していました。

恒星に惑星が存在したり、恒星が連星系だったりする場合は、故郷から小天体がはじき出されて恒星間天体になる可能性が高くなります。

でも、4つの恒星については今のところ、惑星や伴星の存在は知られていないんですねー

これらの恒星が本当に“オウムアムア”の故郷なのかどうか、詳細については今後の観測から新たな手掛かりが得られるかもしれません。

また、2020年代に公開される“ガイア”のデータから、さらに多くの恒星の軌道についても情報が得られるはずです。

“オウムアムア”の故郷を特定するにはまだ時間が必要です。

でも、今回の成果から分かったことは、天の川銀河の歴史を調べるのに“ガイア”が非常に役立つということですね。


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いったいどの銀河からやって来たのか？ 猛スピードで天の川銀河に向かってくる星を発見

位置天文衛星“ガイア”の観測データから、超高速で天の川銀河の近くを移動している星が20個も見つかりました。

そのうち13個は他の銀河から天の川銀河にやってきた可能性があるようです。


ブラックホールの巨大な重力に弾かれた星

私たちの住む地球や太陽系が属している天の川銀河には、1000億個以上の星が存在しています。

驚くのは、そのうちのいくつかの星が秒速数百キロという猛スピードで運動していること。

これらの高速で移動する星は“超高速星”と呼ばれていて、銀河の中心近くで誕生したと考えられています。

その後、銀河の中心に存在する超大質量ブラックホールの巨大な重力に弾かれ、高速で銀河の端の方に飛ばされることになります。


天の川銀河に向かってくるように運動している星を発見

オランダ・ライデン大学の研究チームでは、ヨーロッパ宇宙機関の位置天文衛星“ガイア”の観測データから、新たな“超高速星”を探し出す研究を進めています。
　　“ガイア”は10億個以上の星の位置や距離、天球上の動きを計測していて、
　　今年の4月に公開された“ガイア”の第2期データには、
　　700万個の星について3次元の速度データが含まれている。

そして、研究チームが発見したのは20個の“超高速星”。
でも、そのうち13個は天の川銀河から逃げ出すのではなく、天の川銀河に向かって来るように運動していました。

そう、これらの星は他の銀河からやってきた可能性があるんですねー

天の川銀河上に示された20個の“超高速星”の位置と軌道。 オレンジの矢印は、他の銀河から来たと思われる13個の“超高速星”、 赤い矢印は、天の川銀河の重力を振り切るほどの速度で銀河の外へ向かう7つの“超高速星”。

ここで気になるのが、これらの“超高速星”は一体どこからやって来たのかということ。
天の川銀河のお隣さん“大マゼラン星雲”から来たのかもしれないし、もっと遠く離れた銀河かもしれません。

もし、そうした銀河から来た星なら、星に残された情報から故郷の銀河に関する大きな手掛かりが得られるかもしれません。
ちょうど火星由来の隕石から、火星について調べるようなものですね。


“超高速星”の存在は近くに超大質量ブラックホールがある証拠

超大質量ブラックホールの巨大な重力に弾かれ、星は高速に移動することになります。

つまり、こうした星の存在が、超大質量ブラックホールが近傍の宇宙に存在する証拠になるのかもしれません。

あるいは、“超高速星”は過去に連星系を成していたのかもしれません。
連星系の伴星が超新星爆発で無くなったことで放り投げられて、天の川銀河にやってきた可能性もあります。

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いずれにしても、これらの星を詳しく調べることで、近傍の銀河で起こっているこの種のプロセスについて情報が得られるかもしれません。


年齢や組成から分かる星の起源

別の話として、“超高速星”の起源は天の川銀河のハロー部分だという説もあります。
　　ハローは銀河全体を包み込むように希薄な星間物質や球状星団が
　　まばらに分布している球状の領域。

かつて天の川銀河に飲み込まれた一つの矮小銀河との相互作用で星が加速され、天の川銀河の内側へ押し込まれたという考えです。

ハロー由来の星であれば、組成のほとんどが水素で、かなり年老いているはずなので、星の年齢や化学組成の情報から、その起源を明らかにできそうです。
他の銀河を起源とする星だと重元素を多く含んでいるのかもしれません。

“ガイア”は2020年代に少なくとも2回のデータ公開を予定しています。
その公開されるデータからは、さらに多くの星に関する、より正確で新しい情報が得られる見込みです。

最終的には、最大1億5000万個の星について、完全な3次元速度の計測が行われるようですよ。


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ダークマターの正体は大質量天体？ それとも軽い粒子なのか？ とりあえずブラックホールではないようです

遠方にある超新星のデータを分析してみて分かったことがあります。

それは、ダークマターの大部分がブラックホールからなるという可能性が低いこと。
ダークマターの正体がブラックホールだったとしても、その割合はせいぜい40％程度にしかならないようです。


軽いものから重いものまであるダークマターの候補

天文学で最も厄介な難問の一つダークマター（暗黒物質）。

宇宙にある物質の84.5％がダークマターだということは分かっていても、その正体となる物質はまだ検出されていません。
　　ダークマターは、質量を持っているけど光学的に直接観測できないとされる仮設上の物質。

ただ、ダークマターの候補として挙がっている物質はいくつかあります。
“アクシオン”のような非常に軽い粒子から、銀河ハローに存在するかもしれない大質量でコンパクトな天体“MACHO”まで、質量は様々。
　　“MACHO”には、宇宙誕生の直後に作られ、
　　太陽の数十倍から数百倍の質量を持つとされる“原始ブラックホール”も含まれている。

手前のブラックホール（中央）によって、 超新星（左下）とその母銀河の像が“重力レンズ効果”で歪められ、 実際より明るく見える（イメージ図）。

また、ダークマターは複数の粒子や天体からなるという説もあります。

でも、互いに無関係の成分がダークマターの中にいくつもあるとすると、それぞれについて起源の説明が必要になり、モデルが非常に複雑になってしまうことに…

ダークマターが、非常に重いブラックホールと、非常に軽いブラックホールの2種類からなる。
または、ブラックホールと未知の粒子からなると考えることもできてしまいます。

そうすると、片方の成分はもう片方の成分に比べて1個当たりでは何桁も質量が大きいことになり、にもかかわらずトータルの質量では同じくらい存在しなくてはならなくなります。

天体から顕微鏡レベルのものまで、あるいは宇宙で最も軽い粒子まで考えるので、非常に説明が難しくなるんですねー


“重力レンズ効果”により否定された大質量天体説

今回の研究では“重力レンズ効果”に着目しています。

遠くにある天体からの光は、地球に届くまでの間に、途中にある銀河や銀河団に含まれる膨大な質量が生み出す重力によって、曲げられたり明るくなったりします。

この重力による影響を“重力レンズ効果”といいます。

ブラックホールや“MACHO”が、もし宇宙にたくさんあれば、遠方で起こったIa型超新星の光に“重力レンズ”が影響を与えるはずです。

Ia型超新星は爆発後の最大光度がどれも同じになるので、明るさの変化を見てダークマターの正体を特定しようということです。
　　爆発後の最大光度がどれも同じになるIa型超新星は、
　　宇宙の距離を測る標準光源として使われている。

超新星と観測者の間にブラックホールがあると、 その重力によって超新星からの光の経路が曲げられ、 光を像こうするレンズの役割を果たす。

まず行われたのは、2通りの超新星カタログを使って超新星の明るさと距離の統計解析でした。
　　“Joint Lightcurve Analysis”カタログの580個、
　　“Union 2.1”カタログの740個の超新星を解析している。

もし、ダークマターの正体がブラックホールや“MACHO”なら、超新星の増光・減光のタイプから予測される明るさよりも0.1～1％ほど明るく見えるものが8個は存在するはずだと推定します。

でも、解析の結果、実際にはそうした超新星は1つも見つからず…

この結果から出た結論は、原始ブラックホールや“MACHO”は、仮に存在するとしても宇宙のダークマターのたかだか約4％を占めるにすぎないということでした。

さらに、別の超新星カタログを用いた最新の解析では、より厳しい2％という上限値が得られています。
　　“Pantleonカタログ”にある1048個の明るい超新星が解析に使われた。


ダークマターの有力候補は素粒子へ

こうした解析手法が提案されたのは1990年代後半のことでした。

ただ、ダークマター探索については、大質量天体から素粒子へと関心が移ったので、ダークマター天体を探す解析は中断していました。
　　特にWIMPと呼ばれる弱い相互作用をする質量の大きな粒子に関心が移った。

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当時、“MACHO”として考えられた天体の質量や種類については、後にそのほとんどが多くの観測実験によって否定され、こうした天体が見つかる望みはほとんど残っていなかったからです。

さらに、当時は遠方のIa型超新星で距離が測定されたものは少ししかありませんでした。

でも、重力波検出装置“LIGO”による重力波の検出が状況を変えることになります。

2015年に太陽質量の数十倍というブラックホール同士の合体による重力波が検出されると、このようなブラックホールが宇宙に十分存在していればダークマターを説明できるのではないか、という希望が再び広がったんですねー

興味深かったのは、“LIGO”の観測で見つかったブラックホールの質量が、ダークマターの可能性がまだ否定されていない天体の質量範囲にちょうど一致していたことでした。

でも、今回の研究結果によれば、結局これは偶然の一致だったということになりますね。


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ジャイロの故障から復旧！ ハッブル宇宙望遠鏡が科学観測を再開しました

追記

観測ターゲットになる天体をロックオンするには望遠鏡の向きを変える必要があります。
このとき、望遠鏡の回転速度を計測する装置がジャイロです。

そのジャイロの故障のため、10月6日にセーフモードに入っていたNASAのハッブル宇宙望遠鏡。

これまで3個のジャイロで運用が行われてきたのですが、5日にそのうちの1つが故障。
ハッブル宇宙望遠鏡の運用チームは、翌日にバックアップ用のジャイロを稼働させることになります。

でも、このバックアップのジャイロが正常に動作せず…　実際よりもはるかに大きな回転速度の数値を返していたんですねー

ハッブル宇宙望遠鏡

運用チームが、ハッブル宇宙望遠鏡の姿勢を変えたり、ジャイロの動作モードを切り替えたりするための様々なコマンドの送信を行ったことで、無事に問題が解消されます。
　　その後、ジャイロが安定しているかどうかの確認が行われ、
　　追加的な安全措置がインストールされている。

先週末には、望遠鏡の向きの変更や観測ターゲットのロックオンといった、通常の科学観測を行うのと同様の稼働ができることが確認され、今回の故障にかかわるすべての作業は完了。

27日午後にハッブル宇宙望遠鏡は遠方の星形成銀河“DSF2237B-1-IR”の観測を行い、復旧後初となる科学観測を終えています。

現在、ハッブル宇宙望遠鏡は3つのジャイロで通常の科学観測モードに戻っています。

1990年の打ち上げ以来、当初の寿命である15年をはるかに超えているハッブル宇宙望遠鏡。

実に28年以上も科学の最前線で貴重な発見をもたらし続けているんですねー
今後も活躍し続けて欲しいですね。

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運用開始から28年目！　ただいまハッブル宇宙望遠鏡はセーフモードで待機中

1990年にスペースシャトル“ディスカバリー”で打ち上げられたハップル宇宙望遠鏡。

運用開始から28年目に入っていたのですが、10月6日からセーフモードに入っているんですねー

原因はジャイロの故障。
予備のジャイロにも不具合が見られたので、運用モードの変更も検討しながら復旧作業が続けられているようです。

取っておいた予備のジャイロも使用不可

NASAのハッブル宇宙望遠鏡は1990年4月24日に打ち上げられてから四半世紀以上にわたり、太陽系内の天体から様々な星雲や星団、非常に遠方に存在する銀河まで多くの観測を行ってきました。

そんなハッブル宇宙望遠鏡ですが、これまでに何度か修理や機能の改修が行われたことがあります。

最後の修理は2009年に実施され、望遠鏡の姿勢を安定させるための新しいジャイロ装置が6個取り付けられました。

2009年にスペースシャトル“アトランティス”によって実施された修理ミッション

この6個のジャイロのうち2個はすでに故障していて、ハッブル宇宙望遠鏡の運用は残る4個のうち3個を使って続けられてきました。

そして10月6日午前のこと、運用中だった3個のうちの1個が故障してしまい、ハッブル宇宙望遠鏡はセーフモード（待機状態）に入ることになります。

実は、今回故障したジャイロには、1年ほど前から寿命を迎える兆候が見られていたんですねー
なので、故障そのものは予測できたことでした。

予想外だったのは、予備としてこれまで使わずに取っておいたジャイロの方。
電源を入れて状態を確認してみると、使用可能なレベルにないことが明らかになります。

このため、ハッブル宇宙望遠鏡はセーフモードに入ったということです。

現在、NASAゴダード宇宙飛行センターと宇宙望遠鏡科学研究所のスタッフは、分析とテストを進めていて、このジャイロを通常の状態に戻すための方法を検討中。

無事にジャイロが回復すれば、ハッブル宇宙望遠鏡は3個のジャイロを使った通常の設定で科学観測を再開できます。

もし、ジャイロを使用することが出来ない場合には、ハッブル宇宙望遠鏡は稼働させるジャイロを1個だけにして科学観測を開始するそうです。

ジャイロ1個での運用は、観測時間中にカバーできる空域が狭くなるのですが、科学観測を行う能力への影響は限定的なものになるようですよ。


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