中性子星が衝突し、天文学上の大きな謎が解明される

私たちは非常に幸運でした。LIGOとVIRGOの検出器が同時に稼働したのは数週間だけでしたが、その間は驚くほど忙しいものでした。本日、共同研究の責任者たちは、2つの中性子星の合体を観測したと発表しました。中性子星は遭遇するすべてのものを飲み込むわけではないため、重力波には光子が伴い、長時間の残光も含まれていました。そのため、数十基の望遠鏡、そして多くの宇宙望遠鏡の担当者がこの発表に関わったのです。

この衝突によって解明された主要な天体物理学上の問題は数多く、目覚ましいものがあります。フェルミ宇宙望遠鏡によって衝突が同時に検出され、中性子星の合体が短時間ガンマ線バーストと呼ばれる現象を引き起こすことが確認されました。重力波はガンマ線バーストとほぼ同時に検出され、光速で移動することが確認されました。また、破片からは金などの重元素が検出され、これらの合体が、超新星爆発では生成が困難な元素の供給源となっていることが示唆されました。

最後に、このイベントからの重力波は約 100 秒間にわたって検出され、その生成の詳細な分析が可能になるはずです。

中性子に会う

中性子星は超新星爆発によって生成されます。爆発を起こした星の質量がブラックホールを形成するのに十分な大きさではない場合、中性子星は太陽の1～2倍の質量を、直径約20kmの天体に押しつぶします。この密度では、個々の原子は存在を消滅させ、星全体が中性子の塊になります。そして、おそらく他のエキゾチックな粒子（クォーク物質星が提案されていますが、まだ存在が確認されていません）も含まれる可能性があります。2つの質量の大きい星が両方とも超新星爆発を起こす場合、2つの中性子星が互いの周りを公転する連星系を形成する可能性があります。

中性子星連星系については長年知られており、衝突へと向かう兆候を見せていたものもいくつかありました。理論家たちは、合体後にこれらの連星系がどのように見えるか、どのように振る舞うかについて、これまで精力的に仮説を立ててきました。しかし、重力波と電磁波によるこの現象の同時検出は、理論家たちの多くの仮説を裏付けるために不可欠でした。

これが起こるには、2つの点で幸運が必要でした。中性子星はブラックホールよりも質量がはるかに小さいため、イベントの強度は弱く、より近い距離でなければ検出できません。今回の場合、合体は地球から1億3000万光年離れた場所で発生しました。天文学者はこれを「比較的近い距離」と呼んでいます。（ちなみに、「比較的近い距離」とは、有袋類と胎盤を持つ哺乳類の祖先が別々の道を歩み始めた直後に発生したことを意味します。）

また、LIGOとVIRGOの同時稼働も必要でした。上のギャラリーの図が示すように、3台目の検出器の導入により、重力波源を含む空の領域は劇的に縮小しました。したがって、ガンマ線バーストは重力波と同じ源によって生成されたという確度が非常に高いと言えます。

ここで合体した2つの中性子星の質量は比較的小さく、太陽の約1.1～1.6倍と推定されています。これは、太陽の20倍を超える質量を持つブラックホールと比較すると小さい値です。これは、中性子星が合体する前に、より近い距離を周回していたことを意味します。これにより、重力波を約100秒間検出することができました。ブラックホールの合体では、検出可能な波はほんの一瞬しか発生しません。これは、重力波生成に関する私たちの理解を検証する上で、良い機会となるでしょう。

光あれ

LIGO-VIRGOの解析ソフトウェアは、発生源となる可能性のあるデータを素早く分析し、望遠鏡にアラートを送信して、イベントが発生している可能性のある空の領域を観測できるようにプログラムされています。しかし今回の場合、望遠鏡は高エネルギーイベントの捕捉を専門とするNASAのフェルミ宇宙望遠鏡からもアラートを受け取りました。フェルミはガンマ線バーストモニターを搭載しており、重力波信号が到達してから約2秒後にイベントを検知しました。これにより、イベントの発生源をマッピングする精度が向上し、あらゆる種類の望遠鏡が即座に活動を開始しました。本日の発表には、70以上の望遠鏡からの観測データが盛り込まれています。

これほど多くの機器を急速に方向転換したことは人々の注目を集め、これは中性子星の合体現象の検出を意味する可能性が高いことがすぐに分かりました。そのため、本日の発表は8月にこの現象が発生した直後から予想されていました。

しかし、これらの望遠鏡が使用される前から、フェルミの検出は2つのことを示唆していました。1つは、理論家が予測していたように、重力波は光速で移動するように見えるということです。測定にはまだ多少の不正確さがあり、重力波が光速に近い速度で移動する可能性はありますが、完全に光速ではない可能性があります。しかし、新たな測定結果から、重力波は光速に非常に近い速度で移動する必要があることが示唆されます。

二つ目は、ガンマ線バーストの発生源が中性子星の衝突であることを突き止めたことです。ガンマ線は私たちが検出できる最もエネルギーの高い光子であるため、何らかの強力な現象がガンマ線バーストを発生させているに違いないと私たちは考えていました。理論家たちは中性子星の合体によるものと指摘していましたが、それを確認するのは困難でした。なぜなら、低エネルギー波長で検出可能なバーストの対応物を特定することはしばしば不可能であり、さらに、私たちが観測できるのはバーストによって生成された破片であって、その発生源ではないからです。一方、重力波は、発生源が中性子星の合体であることに疑いの余地を残しません。

次に、デブリの観測が行われました。これにより、デブリに金などの重元素が含まれていることが分かり、これもまた未解決の謎を解き明かしました。一部の重元素は超新星爆発によって作り出された環境で容易に生成されるため、宇宙におけるそれらの豊富さは容易に説明できます。しかし、他の重元素は、多数の中性子を急速に取り込む経路でしか生成できません。その速度は非常に速いため、原子は吸収した中性子を収容するために再配置する時間がありません。超新星爆発は、このような現象が起こるのに十分な中性子過剰環境を提供しないと考えられています。

中性子星は当然そうするでしょうが、その物質は重力によって押しつぶされ、エキゾチックな状態のままです。必要なのは、何らかの出来事によって、これらの星に閉じ込められていた物質の一部が解放されることです。ここでも、理論家たちは中性子星の衝突がその機会をもたらすと指摘していました。衝突によって一部の破片が宇宙空間に吹き飛ばされ、「キロノバ」と呼ばれる現象が起こるからです。しかし、この現象はこの時点では確認されていませんでした。

リスト画像: NSF/LIGO/ソノマ州立大学/A. Simonnet