ハッブル宇宙望遠鏡による、超新星2014JとM82銀河の観測イメージ。(本文の超新星とは違うもの。) Image by


 星が寿命の最期にパッチンと弾けて起こす大爆発は、「スーパーノバ(Supernova)」「超新星爆発」あるいは単に「超新星」と呼ばれ、これは天文学・宇宙物理学のホットな研究対象です。どれくらいホットかというと、これが起きると1000億K(ケルビン)程度のエネルギーを持つ粒子が地球に降ってくるので、「スーパーノバは1000億度」といってもいいかと思われます。

 ホットな研究対象なので、星が爆発する前から爆発後までを連続観測してデータを取りたいなあ、とは誰もが思うのですが、残念ながらこれはまず無理です。空のどこで今晩爆発が起きるか分からないためです。

 ところが2016年のある晩、あるアマチュア天文家が望遠鏡を夜空に向けて写真を撮っていたところ、超新星爆発が起きるところを偶然捉えてしまいました。研究者が喉から手が出るほど欲しいきわめて貴重なデータです。このようなデータが得られる確率は100万分の1という見積りもあります。

 超新星はなぜホットな研究対象なのでしょう。このデータからは何が分かるのでしょうか。解説しましょう。

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超新星爆発とは

 ここでは、「II型超新星」あるいは「重力崩壊型超新星」と呼ばれる天体現象について説明します。他に、核融合反応が暴走して起きる「Ia型超新星」などがありますが、今回は扱いません。

 さて、恒星はどうしてパッチンと弾けて超新星爆発を起こすのでしょうか。

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 恒星は、重力で集まったガスの塊です。重力は恒星を押し縮め、ガスは圧力で広がろうとし、その釣り合いで恒星は形を保っています。

 私達の最も身近な恒星、太陽の内部では、水素原子が「核融合」してヘリウム原子に変わり、その際に熱を発生しています。核融合の熱でガスは温められ、太陽は輝きます。核融合反応が続く間は、太陽もつぶれることはありません。

 けれども、太陽内部がヘリウム原子だらけになると、(中心部では)燃料の水素原子が欠乏し、水素の核融合の熱の供給が止まります。そうなると、中心部の密度が高まり、今度はヘリウム原子が核融合を始め、炭素原子や酸素原子を作ります。

 質量が私達の太陽の数十倍あるような重い恒星の中心部では、こういう具合に、核融合の燃料が使い果たされて、もっと重い元素が核融合をするというバトンタッチが進行していきます。次第に中心部の密度は高まり、重元素が増えていきます。

 大質量の恒星は、最終的には、内部に鉄を溜め込みます。鉄原子は核融合の燃料としては使えない、いわば核融合の燃えカスのような物質です。恒星の中心部には、質量が私達の太陽よりも重い鉄の塊ができあがり、重力によってぎゅうぎゅうのがちがちに圧縮されます。

 そして圧縮が限界を超えると、この巨大な鉄の塊は一気にぐしゃっとつぶれ、「中性子星(ちゅうせいしせい)」という特殊な物体に変わります。中性子星は質量が私達の太陽の1.4倍程度もあるのに、半径が10kmほどしかない、超高密度の異常な代物です。ほとんど中性子でできているので、「巨大な原子核」などと呼ぶ人もいます。

 恒星中心部の鉄の塊が中性子星に変化する際には、膨大なエネルギーが発生します。その恒星がそれまで長年輝くことで放射してきたエネルギーの、何十倍ものエネルギーが一瞬で放出されるのです。

 中性子星誕生の瞬間、恒星の外層部は宇宙空間に飛び散り、電波からガンマ線までのあらゆる波長の電磁波と重力波と膨大な「ニュートリノ」がほとばしり、周囲に不運な惑星などがあれば全て焼き尽くします。

 これが宇宙最大規模のパッチン、超新星です。

超新星は宇宙を知る鍵

「銀河」は恒星が何十億個、何百億個と集まった群れですが、1個の銀河の中では超新星が約100年に1回発生すると見積られています。

 約100年に1回パチパチ弾ける超新星は、銀河に影響を与える存在です。

 超新星の際に吹き飛ばされて焼かれた物質は、元素組成が変化します。原子核がばらばらに壊れたり、逆にくっつきあって重い原子核が合成されたりします。超新星爆発によって、宇宙空間に新しい元素が供給されるのです。宇宙空間の元素組成を知るには、超新星爆発の過程を詳細に理解する必要があります。

 そうして撒き散らされた元素は、宇宙空間のガスが集まって新たな恒星や惑星が生まれる際、その原料に紛れ込みます。ひょっとしたら、その惑星上で生命が誕生するかもしれません。(私達の知っている)生命は超新星爆発で合成された元素を原料にしています。超新星は(私達の知っている)生命に必須なのです。

 超新星爆発の際にはニュートリノという素粒子が大量に生成されて、ほぼ光速で飛んでいきます。また重力波も放射されます。宇宙空間には「宇宙線」と呼ばれる粒子が飛び回っていますが、宇宙線も超新星からエネルギーを供給されていると考えられています。超新星から放出されたエネルギーは、さまざまな形態をとって、宇宙空間を満たしているのです。

 銀河の中には超新星爆発で生まれた中性子星が数十万個も浮いていて、電波やX線やガンマ線をちかちか放っています。また、生まれた中性子星の質量が大きすぎると、ただちにブラックホールに変化すると考えられています。ブラックホールが銀河に何個浮いているかは、これからの研究で分かってくるでしょう。

 このように、超新星爆発は宇宙を今あるような状態にしている重要な現象なのです。

超新星の早期発見はかくも困難

 大質量の恒星が、核融合燃料を使い果たし、超新星爆発を起こす過程は、加速度的に進行します。内部に溜まったケイ素が核融合で鉄に変わる時間は、約1日という短さです。昨日まで(中心部が)ケイ素でできていた恒星は、今日には鉄の星になり、明日は大爆発です。

 この爆発の瞬間を観測装置で捉えることができれば、爆発過程のデータが得られて万々歳なのですが、そういう観測例はほとんどありません。現在の観測手法では、爆発寸前の恒星を特定することはできません。

 現在は、自動観測の手法で、毎日1個程度の超新星が発見されています。

 例えばオハイオ大学などのチームによる「ASAS-SNプロジェクト」では、世界各地に設置された20台の自動望遠鏡が、晩から明け方までせっせと夜空の写真を撮っています。太陽近くの領域を除いて、ほぼ全天が1日1回は撮像されます。撮られた写真は前日の写真と自動的に比べられます。

 撮像データの中に1日で急に出現した光点が発見されると、世界中にアラートが送られます。ですが、そういう光点は超新星とは限りません。「新星」という天体現象の場合もあります。新星研究者が喜びます。

 あるいは、それは小惑星かもしれません。世界中にアラートが送られます。小惑星愛好者が喜びます。

 あるいは、それはまさしく超新星かもしれません。世界中にアラートが送られます。別の望遠鏡による追観測が始まります。明るさ、スペクトラム、赤方偏移が測定されます。

 この手法だと、超新星爆発を発生から1日程度で発見することができます。これは大変な成果です。けれども、爆発の最初の1日分のデータは取得することができません。

超新星「2016gkg」の爆発が見えちゃった

 2016年9月20日04時30分(協定世界時)、アルゼンチンのアマチュア天文家ビクトル・ブーソ氏は、40cmニュートン式望遠鏡をNGC613という8600万光年先の渦巻き銀河に向けて撮影しました。その時には、NGC613に変わったところはありませんでした。

 45分後、撮影を再開したところ、そこには光点が出現していました。光点は43等級/日という、前代未聞の速さで見る間に明るくなりました。「等級/日」などという奇怪な単位は初めて見る方がほとんどだと思いますが、これは明るさが25分で2倍になる増光を示します。その調子で1日増光が続くと16京倍になる勘定です。

超新星2016gkgの増光の瞬間。ブーソ氏によって2016/09/20 05:57に撮像された。(提供: Víctor Angel Buso)


 超新星がパッチンと弾ける瞬間が捉えられたのです。NGC613に属する1個の星の中心部で、鉄の塊がぐしゃっとつぶれ、重力波とニュートリノと電磁波が放出されたのです。そのエネルギーが約1秒で中心部から星の表面に達し、表面が吹っ飛んだのです。その光が8600万年間宇宙を旅してブーソ氏の40cmニュートン式望遠鏡に入射し、焦点面のCCD素子を感光させたのです。(同時に重力波と1000億Kのニュートリノも地球に到来したはずですが、残念ながら弱すぎて検出されませんでした。)

 この超新星はASAS-SNプロジェクトでも確認され、「2016gkg」と名づけられました。

爆発から5カ月後(2017/02/18)の超新星2016gkg。チリ・ラスカンパナス天文台の1m望遠鏡による。(提供: Charles Kilpatrick/UC Santa Cruz and Carnegie Institution for Science, Las Campanas Observatory, Chile)


 ブーソ氏の共同研究者の見積もりによると、爆発の瞬間がこのように偶然捉えられる確率は100万分の1ということです。

 この爆発の瞬間のデータは、恒星内部を伝わる衝撃波や、そこで起きる元素合成、ニュートリノと物質の相互作用などの情報を含んでいます。そして超新星爆発の過程が分かれば、銀河の物理が理解できることは、前述のとおりです。

 膨大な予算を投じて建造される巨大装置をばりばり回して研究するような分野では、アマチュア研究者が科学に貢献する余地はほとんどないのですが、天文分野では、個人の小さな望遠鏡が珍しい天体現象をとらえることがあります。これもまた、天文分野の魅力のひとつでしょう。

筆者:小谷 太郎