2つの長ガンマ線バーストが中性子星の崩壊によるものであることを科学者が確認
ロスアラモス国立研究所の研究チームは、2つの異常な長継続時間ガンマ線バースト、GRB 211211AとGRB 230307Aが、中性子星のブラックホールへの崩壊によって生成されたことを確認した。The Astrophysical Journal Lettersに掲載されたこの発見は、長年理論化されながらも証明が困難であったメカニズムの、これまでで最も詳細な確認を提供するものである。
ガンマ線バーストは、その持続時間に基づいて大きく2つのクラスに分類される。2秒未満の短いバーストは、2つの中性子星、または中性子星とブラックホールの合体に関連している。2秒以上の長いバーストは、コラプサーと呼ばれる大質量星の崩壊に関連している。しかし、2021年に検出されたGRB 211211Aと2023年に検出されたGRB 230307Aは、この明確な分類を曖昧なものにした。両方とも長継続時間バーストでありながら、その残光は、伝統的に中性子星合体に関連する爆発現象であるキロノバに似たシグネチャーを示した。
この曖昧さにより、天体物理学者には2つの可能性が残された。従来の分類が誤りで、中性子星合体が長いバーストを生成できるのか、あるいはコラプサーモデルがこれまで考えられていたよりも多様であるのか、というものである。
スーパーコンピュータシミュレーションが疑問を解決
ロスアラモスのチームは、博士研究員のMarko Risticが率い、Chicomaスーパーコンピュータを使用して各シナリオで発生する元素合成をモデル化した。重要な診断指標は重元素の生成であった。中性子星合体は、金、プラチナ、ウランなどの最も重いものを含む、rプロセス元素の全範囲を生成することが知られている。対照的に、コラプサーはより軽いrプロセス元素のみを生成する。
シミュレーションにより、両方のガンマ線バーストから観測されたキロノバシグネチャーが、コラプサーモデルの予測とほぼ正確に一致することが示された。元素収量は合体から期待される非常に重い元素を欠いている一方で、コラプサーに特徴的なより軽いrプロセスパターンと一致していた。
「私たちは、これら2つの長ガンマ線バーストがコラプサーであることを確認しています。以前は科学者たちに中性子星合体である可能性があると考えさせていたキロノバ放射を持っているにもかかわらずです」とRistic氏は述べた。「ガンマ線バーストは宇宙で最も強烈でエキゾチックな状況の一部を表しています。世界で最も強力なコンピュータを使ってそれらをシミュレートできることは特権です。」
コラプサーの仕組み
コラプサーメカニズムでは、高速で自転する大質量星が核燃料を使い果たし、その中心核が崩壊する。崩壊はまず中性子星を生成するが、継続的な落下物質が中性子星の構造を圧倒し、さらにブラックホールへと崩壊する。ブラックホールのスピンと周囲の降着円盤が相対論的ジェットを発射し、星の外層を突き抜けてガンマ線バーストを生成する。
ロスアラモス研究の重要な洞察は、コラプサーのジェットが、新たに合成された元素の放射性崩壊を通じて、合体中性子星の関与なしにキロノバ様信号を生成できるということである。放出物はニッケル56などの同位体の崩壊によって加熱され、合体キロノバに似ているが異なる化学的指紋を持つ光学的および赤外線の過渡現象を生成する。
「証拠は、キロノバが私たちが考えていたよりも多様で解釈が難しいことを強く示唆しています」と、ロスアラモスの理論物理学者で研究の共著者であるMatthew Mumpower氏は述べた。「これは、すべてのキロノバ様放射が金のような最も重い元素の生成と関連しているわけではないことを意味します。」
GRB科学への影響
この発見は、従来の短い＝合体、長い＝コラプサーという分類を維持するが、重要なニュアンスを加えている。長いガンマ線バーストはキロノバ様信号を生成でき、キロノバ観測の多様性はこれまで考えられていたよりも大きい。重力波検出器と電磁望遠鏡を組み合わせた将来の観測が、親天体集団を完全に解明するために必要となるだろう。
「この研究は、急速な進歩にはモデルとデータを突き合わせるための大規模計算が必要であることを示しています」とMumpower氏は述べた。「これらの発見は、LIGO、Virgo、KAGRA、そして次世代の重力波検出器による将来の観測キャンペーンに情報を提供するでしょう。」
問題の2つのガンマ線バーストについては、コラプサー起源が今や確認された。両方のイベントは、NASAのFermiガンマ線バーストモニター（高エネルギー天体物理学の主力機器の1つ）によって検出され、世界中の地上観測所によってフォローアップされた。ロスアラモスチームによる詳細なモデリングは、観測された光と基礎となる物理の間の欠けていたリンクを提供する。
雅子 訳