科学者たちが、新しいタイプの超新星を初めて観測した。
理論家によって予言されていたものの、これまで確認されていなかった。
この現象は「合体によって引き起こされた」超新星と名付けられた。
2017年、ベリー・ラージ・アレイ（VLA）・スカイ・サーベイのデータの中から、特に明るく珍しい電波源が発見された。VLA・スカイ・サーベイは、電波の波長で夜空を走査するプロジェクトである。現在、カリフォルニア工科大学の大学院生ディロン・ドン（MS '18）が率いる天文学者のチームは、明るい電波の閃光が、ブラックホールまたは中性子星が伴星に衝突する、これまで誰も見たことのない過程によって引き起こされたことを明らかにした。
「大質量星は通常、核燃料を使い果たすと超新星として爆発します」と、グレッグ・ハリナン（カリフォルニア工科大学天文学教授）は述べている。「しかしこの場合、侵入してきたブラックホールまたは中性子星が、伴星を予定より早く爆発させたのです。」合体によって引き起こされた超新星が確認されたのは、今回が初めてである。
この発見に関する論文は、学術誌Scienceに9月3日付で掲載されている。
夜空に輝く閃光
ハリナンと彼のチームは、いわゆる電波トランジェント（突発電波源）を探している。これは、暗い部屋に灯されたマッチのように明るく輝いてすぐに消える、短命な電波源のことである。電波トランジェントは、爆発してエネルギーの大きなジェットを噴出する大質量星や、中性子星同士の合体など、珍しい天文現象を特定するための優れた手段である。
ドンはVLAの膨大なデータセットを精査する中で、VLAサーベイから、VT 1210+4956と呼ばれる極めて明るい電波源を抽出した。この電波源は、超新星と関連付けられた電波トランジェントとしては、これまでで最も明るいものの一つに並ぶものである。
ドンは、この明るい電波のエネルギーが、もともとは分厚く高密度なガスの殻に囲まれた星から放出されたものであると突き止めた。このガスの殻は、現在から数百年前に星から放出されたものである。電波トランジェントであるVT 1210+4956は、星が最終的に超新星として爆発し、その爆発で放出された物質がガスの殻と相互作用したときに発生した。しかし、ガスの殻そのものと、星からそれが放出された時間スケールは珍しいものであったため、ドンはこの爆発にはさらに何か別の事情があるのではないかと考えた。
2つの珍しい現象
ドンの発見を受けて、カリフォルニア工科大学の大学院生アナ・ホー（PhD '20）は、この電波トランジェントを、X線スペクトルにおける別の、短時間の明るい現象のカタログと比較することを提案した。これらのX線現象の中には、地球時間で数秒間しか空に存在しなかったほど短命なものもあった。ドンはこの別のカタログを調べることで、VT 1210+4956と空の同じ位置から発生しているX線源を発見した。慎重な分析の結果、ドンは、X線と電波が同じ現象から発生したものである可能性が高いと突き止めた。
「このX線トランジェントは珍しい現象でした。爆発の瞬間に相対論的ジェットが放出されたことを示していたのです」とドンは述べている。「そして、明るい電波の輝きは、その爆発による物質が、何世紀も前に星から放出された高密度ガスの巨大なトーラス（ドーナツ状構造）に、後になって衝突したことを示していました。これら2つの現象が互いに関連付けられたことはこれまでなく、それぞれ単独でも非常に稀なものです。」
謎が解けた
では、何が起きたのか。慎重なモデリングの結果、チームは最も可能性の高い説明にたどり着いた。それは、重力波を発生させることで知られている宇宙の天体のいくつかが関与した現象である。
チームは、以前に爆発した星の残存する高密度の天体、すなわちブラックホールまたは中性子星が、ある星の周りを近接して公転していたのではないかと推測した。時間が経つにつれ、ブラックホールは伴星の大気を吸い取って宇宙空間に放出し始め、ガスのトーラスを形成した。この過程によって2つの天体はさらに接近し、やがてブラックホールが星に突入し、星は崩壊して超新星として爆発した。
X線は、星が崩壊した瞬間に星の核から放出されたジェットによって生じた。一方、電波は、爆発した星が、内側へ螺旋状に落下していた高密度天体によって放出されたガスのトーラスに到達した数年後に生じた。
天文学者たちは、大質量星とそれに伴う高密度天体が、いわゆる安定軌道を形成しうることを知っている。この軌道では、2つの天体が極めて長い期間をかけて徐々に互いに近づいていく。この過程によって、数百万年から数十億年にわたって安定しているものの、最終的には衝突して、LIGOが2015年および2017年に発見したような重力波を放出する連星系が形成される。
しかし、VT 1210+4956の場合、2つの天体はむしろ直ちに壊滅的な衝突を起こし、観測されたX線および電波の閃光を生み出した。このような衝突は理論的には予測されていたものの、VT 1210+4956は、それが実際に起きることを示す初めての具体的証拠となった。
偶然がもたらした発見のためのサーベイ
VLAスカイ・サーベイは、夜空からの電波信号に関する膨大な量のデータを生み出すが、そのデータを精査してVT 1210+4956のような明るく興味深い現象を見つけ出すことは、干し草の山から針を探すようなものである。ドンによれば、この特定の針を見つけたことは、ある意味で偶然の幸運であったという。
「VLAサーベイで何が見つかるかについてはアイデアがありましたが、予想していなかったものを見つける可能性にも開かれていました」とドンは説明する。「大規模なデータセットを、大まかな制約のもとで、先入観なく探索し、そして見つかった天体に関するあらゆる文脈上の手がかりを可能な限り集めて考慮することで、興味深いものを発見する条件を整えたのです。この過程では、さまざまな説明によって気持ちが別々の方向に引っ張られますが、最終的には、そこに何があるのかを自然に語らせるしかないのです。」
論文のタイトルは「合体によって引き起こされた中心核崩壊型超新星と整合する突発電波源」である。筆頭著者はディロン・ドンである。ハリナンとホーに加え、共著者はエフド・ナカル、アンドリュー・ヒューズ、Kenta Hotokezaka、スティーブ・マイヤーズ（PhD '90）、キシャライ・デ（MS '18, PhD '21）、クナル・モーリー（PhD '15）、ヴィクラム・ラヴィ、アッサフ・ホレシュ、マンシ・カスリワル（MS '07, PhD '11）、シュリ・クルカルニである。研究資金は、米国国立科学財団、米国・イスラエル二国間科学財団、計画予算委員会のI-Coreプログラムおよびイスラエル科学財団、カナダ自然科学・工学研究評議会、カリフォルニア大学バークレー校の基礎科学研究ミラー研究所、日本学術振興会の若手研究者プログラム、米国国立電波天文台、ハイジング・シモンズ財団によって提供された。
