高速電波バースト、星形成をほぼ遅延なく追跡 新研究
注目画像: 高速電波バーストを放出するマグネターの想像図；クレジット：NASA/JPL-Caltech
高速電波バースト（FRB）はどこから来るのか。この問題は20年近くにわたり天体物理学者を二分してきた。一方の陣営は、FRBが大質量星の重力崩壊型超新星爆発で形成された若いマグネターから発生すると主張する。もう一方は、数億年から数十億年かけて展開するコンパクト連星合体を指す。プレプリントサーバーarXivに掲載された新たな研究は、若いマグネター説を支持する最も強力な観測的証拠を提示した。
中国科学院のYi-Ying Wang、Yin-Jie Li、Yi-Zhong Fanは、CHIME/FRB集団のフォワードモデリング階層ベイズ分析を実施した。カタログサンプル、ベースバンドフルエンス、特定されたホスト銀河の赤方偏移を同時にフィッティングし、サーベイの選択関数を自己無撞着に組み込んだ。結論は、宇宙のFRB発生率が宇宙の星形成史と同じ赤方偏移でピークに達し、平均遅延はわずか0.1〜0.3ギガ年であるというものだ。これは2シグマレベルで即時的・ゼロ遅延起源と一致する。
長期にわたる議論
高速電波バーストは、ミルキーウェイ外部から発生するミリ秒単位の電波エネルギーパルスである。2007年の発見以来、天文学者は数千個をカタログ化してきた。そのほとんどはブリティッシュコロンビア州のCHIME（カナダ水素強度マッピング実験）を使用している。
起源に関する中心的な問題はタイミングである。FRBが若いマグネターから来る場合、その発生率は星形成率に密接に追従するはずだ。星が生まれ、大質量星が超新星爆発で急速に死に、結果として生じる極端な磁場を持つ中性子星が数千万年以内にFRBを放出する。一方、FRBがコンパクト連星合体（2つの中性子星、または中性子星とブラックホールが螺旋運動しながら接近する）から来る場合、連星系が合体するまでに数十億年かかるため、発生率のピークは星形成よりも大幅に遅れるはずである。
従来の研究は矛盾した結果を生んできた。2021年の最初のCHIMEカタログ分析では、すべてのFRBが星形成史を追跡するという仮説は否定され、データは有意な遅延、または優勢な遅延集団と従属的な星形成集団の両方を持つハイブリッドモデルにより適合することが判明した。より大規模なカタログと高度なベイズ手法を用いた新研究は、逆の結論に達した。
新分析の違い
WangらはCHIMEの大規模サンプルを使用し、観測バイアスを従来研究よりもはるかに慎重に考慮した階層ベイズフレームワークを適用した。サーベイの選択関数はCHIMEの注入フレームワークを通じてモデル化した。これは実際のデータパイプラインにシミュレートFRBを挿入し、望遠鏡が実際に検出するものと見逃すものを測定する手法である。
主要な結果は、遅延時間モデルの範囲全体で、FRB発生率が宇宙の星形成率と同じ赤方偏移でロバストにピークに達することである。平均遅延0.1〜0.3ギガ年はゼロではないが、典型的な遅延が10億年を超えるコンパクト連星合体シナリオにはあまりにも短すぎる。
「この発見は、以前に報告されコンパクト連星合体起源の証拠と解釈されていた数ギガ年の遅延を否定する」と著者らは記している。「むしろ、若い恒星残骸、特に重力崩壊型超新星爆発で形成されたマグネターに関連する前駆天体システムを指し示している」
意味すること
この結果は理論的可能性を大幅に絞り込む。将来のサーベイで確認されれば、FRBの大多数が単一の即時チャネル（形成後数千万年以内に磁化された中性子星に崩壊する大質量星）から発生することを意味する。遅延チャネルが存在するとしても、ごく一部の事象しか説明できない。
また、FRBが超新星発生率やガンマ線バーストと同様に、宇宙の星形成の直接的なトレーサーとして機能できることも意味する。FRBはほとんどの超新星よりはるかに遠方まで検出可能であるため、宇宙の異なる時代における星形成速度を測定する強力な新ツールとなる可能性がある。
論文はarXivで識別子2607.09109として公開されており、査読付きジャーナルに投稿されている。
雅子 訳