「超新星爆発に失敗してブラックホールになった恒星」の最有力候補を観測

太陽より重い恒星は、寿命の最後に「超新星爆発（※1）」という激しい現象を起こし、その中心部に中性子星かブラックホールを残します。このうちブラックホールは、太陽の20〜30倍以上というかなり重い恒星の超新星爆発で作られると考えられています。

しかし半世紀ほど前から、超新星爆発がうまく進まないことをきっかけに、本来ならブラックホールを作れないはずの恒星からブラックホールができる可能性が指摘されていました。この現象は「失敗した超新星（Failed Supernova）」（※2）と呼ばれていたものの、これまで有力候補は見つかっていませんでした。

コロンビア大学のKishalay De氏などの研究チームは、地球から約250万光年離れた「アンドロメダ銀河」の観測データを分析し、数年かけて増光と減光をした後に消滅した恒星「M31-2014-DS1」を発見しました。この明るさの変化は、失敗した超新星で予測されるものと一致しており、M31-2014-DS1は現状における失敗した超新星の最有力候補となっています。

※1…正確には、超新星は現象によって2つに大別されており、重い恒星の寿命末期の現象は「II型超新星」に分類されます。本記事における超新星はII型超新星を指します。

※2…このような現象について「完全崩壊（Complete Collapse）」「直接崩壊（Direct Collapse）」の語を当てる場合もあります。ただし、これらの用語は違う現象を意味する場合もあるため、文脈に注意が必要です。

恒星は超新星爆発に “失敗” することがある？

【▲ 図1: 恒星が寿命を終えた後に生じる星の種類は、恒星の質量によって決まります。ブラックホールが生じるには、通常は恒星の質量が太陽の20〜30倍ないといけないと言われています。（Credit: 彩恵りり）】

太陽のような恒星は、中心部で起こる核融合反応で発生する圧力による膨張と、自分自身の重力による収縮が釣り合うことで現在の形を保っています。しかし、核融合反応を起こす燃料には限りがあり、いつかは燃料が尽きて寿命を迎えることになります。寿命を迎えた時の運命は、核融合反応がどの段階まで進んだか、もっと簡単に言えば恒星の重さによって変化します。

質量が太陽の8倍以上という重い恒星では、核融合が停止すると、重力によって中心核が潰れます。この時に激しい核反応が発生し、ニュートリノという素粒子が大量に発生し、衝撃波として飛び出します。ニュートリノ衝撃波の大半は、中心核のすぐ外側を覆う恒星の外層をすり抜けますが、ごく一部は外層に吸収されます。外層は吸収したニュートリノからエネルギーを受け取り、重力を振り切るほどの勢いで急速に膨張します。これが「超新星爆発」と呼ばれる現象です。

恒星の外層が吹き飛ばされる一方で、中心部は重力によって収縮します。この収縮が止まるかどうかは、中心核の質量によって変わると予想されています。そしてこの中心核の質量は、恒星全体の質量に比例します。正確な境目は現在でも議論されていますが、元の恒星の質量が太陽の20〜30倍であるのを境に、それより軽いと中性子星（※3）が、それより重いとブラックホールになると予想されています。

※3…ほとんどが中性子星の塊であると予想されている天体。一部の異説を除けば、何かしらの物質でできている天体としては最も高密度です。中性子星の質量には限界があり、それ以上では重力崩壊が止まらずにブラックホールになってしまうと考えられています。

ただし、この一連のプロセスには未解明な部分もあります。この未解明の部分に関連し、超新星爆発が不発に終わることもあるのではないかという予想もありました。これは「失敗した超新星」と呼ばれており、既に1970年代には、そのような現象が起こることが理論的に予想されていました。

もし、恒星の外層が吹き飛ぶ速度が遅ければ、中心核の残骸の重力を振り切ることができず、やがて落下します。中心核の残骸が最初は中性子星になる程度の質量だったとしても、落下してきた外層が降り積もることで、ブラックホールになる質量条件を満たすことも考えられます。言い換えると、本来ならブラックホールになるはずのない恒星が、ブラックホールになったように見えるわけです。

失敗した超新星は、文字通り超新星爆発に “失敗” しているため、ほとんど明るさが変わりません。変化が少ないということは見逃しやすいということです。つまり、失敗した超新星があったとしても、これを遠い地球から見ると、「重い恒星が前触れもなく “突然” 消えた」ように見えるでしょう。ただし注意しないといけないのは、天文学的時間スケールでは “突然” ではあるものの、一般的な時間スケールでは “突然” とは言い難い長さで変化するということです。恒星がだんだんと暗くなり、望遠鏡で見えなくなるまで、最短でも数年かかると予想されているためです。

このように、普通の超新星爆発のように目立つ現象が起きず、人間のスケールではゆっくりとしか変化しないことから、失敗した超新星の実例の観測は困難でした。これ以前の研究では、「NGC 6946-BH1」という失敗した超新星の候補天体は見つかっていましたが、観測データの質の問題から、有力候補と言えるほどの確実性はありませんでした。

「失敗した超新星」の最有力候補「M31-2014-DS1」を発見

【▲ 図2: 宇宙空間にあるNEOWISEの想像図。（Credit: NASA & JPL-Caltech）】

コロンビア大学のKishalay De氏などの研究チームは、失敗した超新星の探索を行う研究を行いました。明るさの変化が数年レベルと長いことから、過去の天体観測画像を比較することで発見しようと試みたのです。

De氏らは、NASA（アメリカ航空宇宙局）の赤外線天文衛星「NEOWISE」が数か月おきに撮影した「アンドロメダ銀河」と「さんかく座銀河」の画像比較を行いました。失敗した超新星では、赤外線で特徴的な明るさの変化が予想されているからです。

【▲ 図3: 可視光線や赤外線で撮影されたM31-2014-DS1の写真。各画像の中央で、左側のA〜Dは光っている部分が、右側のE〜Jは黒い部分がM31-2014-DS1に当たります。（Credit: Kishalay De, et al.）】

その結果、2014年から2022年にかけて、特徴的な変化を示した恒星が見つかり、「M31-2014-DS1」と名付けられました。

M31-2014-DS1を中赤外線領域で見ると、2014年から約1年かけて約50%明るくなり、さらに約1年後の2016年には当初と同じ明るさに戻った後、2022年にかけて徐々に暗くなって行く様子が観測されました。また、他の望遠鏡による他の観測波長（可視光線と近赤外線）で見ると、M31-2014-DS1は2022年から2023年にかけて、実質的に消滅したと言えるほど暗くなっていました。

De氏らは、理論との照らし合わせやモデルを組んで検証した結果、このような赤外線での明るさの変化は、失敗した超新星の特徴と一致すると考えています。

失敗した超新星になる直前のM31-2014-DS1は、質量が太陽の約5倍であり、ガスと塵の雲が周りを覆っていたと考えられています。しかし、誕生直後のM31-2014-DS1の質量は太陽の約13倍であり、何らかの理由（※4）で表面の水素の大部分が宇宙空間に逃げ去ったと考えられています。周りを覆うガスと塵の雲は、この逃げ去った質量の名残のようです。

※4…激しい恒星活動か、未知の伴星の重力の影響のいずれかであると考えられていますが、詳細は不明です。

超新星となる直前の質量が太陽の約5倍ならば、本来ならば中心部にできるのは中性子星であり、ブラックホールにはなりません。しかし、失敗した超新星の場合、外層が外側へと広がる勢いがないため、中心部からの重力を振り切れず、やがて落ちてきます。とはいえ落ちてくると言っても、それはスムーズには行きません。外層は大量の物質でできているのに対し、中心部の領域は直径数十km未満と小さいことから、全てが落下するには時間がかかります。

現在の観測結果とモデルでは、M31-2014-DS1がブラックホールへと崩壊した時期を正確に推定するのは困難ですが、2014年からの約3年間で元の質量の約98%が中心部へと落下したと考えられています。失敗した超新星となった瞬間から計測しても、どんなに長くても3年以内に、M31-2014-DS1はブラックホールになったと考えられます（※5）。

※5…失敗した超新星の中心部のみを対象とした過去のモデル研究では、数秒以内に中心部がブラックホールへと重力崩壊する可能性が示されています。ただし、M31-2014-DS1にこれが当てはまるかどうかが分かっておらず、失敗した超新星自体のメカニズムに謎も多いことから、論文では明確に崩壊時間を述べていません。本記事の「3年以内」という表現は、本論文にて時間に関する明言がないことに倣っています。

なお、中心部での物質落下の渋滞は、物質同士の衝突や摩擦で高エネルギーな状態が生まれ、やがてX線を放ちます。X線そのものは外側を覆う塵の雲に遮られるため、遠く離れた私たちには見えません。しかし放たれたX線は塵の雲を加熱するため、塵の雲からは赤外線が放たれます。

観測ではM31-2014-DS1が赤外線領域で明るさが変化したことが目撃されていますが、これはX線で温められた塵の雲に由来すると考えられます。この状態は、中心部がブラックホール化しても継続し、おそらくは塵の雲を全て吸い込む数十年後まで続くと考えられます。

失敗した超新星の謎解明は “成功” した超新星の謎を解くカギにもなる

【▲ 図4: 失敗した超新星の後のM31-2014-DS1の想像図。外側の赤く塗られた部分が塵の雲であり、中心から放射されるエネルギーを受けて加熱され、赤外線を放っています。（Credit: Keith Miller, Caltech/IPAC - SELab）】

【▲ 図5: M31-2014-DS1の想像図の中心部分。この中にブラックホールと化した中心部があり、物質を吸い込みながら放射していると考えられます。ただしこれは、塵の雲に遮られ、地球から直接見ることはできません。（Credit: Keith Miller, Caltech/IPAC - SELab）】

ところでなぜ、M31-2014-DS1は超新星爆発に失敗したのでしょうか？　残念ながらこの疑問については、現時点で明確に回答することはできません。これは、超新星爆発に “成功” している場合も含めた、超新星爆発に関する大きな謎が関係しているためです。

冒頭でも説明した通り、超新星爆発の原動力は、恒星の外層を吹き飛ばすニュートリノ衝撃波によるものです。ただしこのステップには、ニュートリノ衝撃波の発生の仕組みや、恒星の外層がどのような形でニュートリノを吸収するのかについてなど、まだ十分に理解されていない核物理学のメカニズムが挟まれています。

現時点では失敗した超新星が起こる理由として、発生したニュートリノ衝撃波のエネルギーが低いか、外層が吸収するニュートリノ衝撃波のエネルギーが低いかのいずれかの理由（あるいは両方とも）であるという説が提唱されています。ただし、これが正しいのか、あるいは他の説明が可能なのかどうかも含め、あまり多くのことは分かっていません。

これまでのところ分かっているのは、M31-2014-DS1で発生した爆発のエネルギーは10の40乗から41乗ジュールのスケールであるということです。一見するとこれは膨大に思えますが、それでも “成功した” 超新星の10の44乗ジュールと比べれば、1000〜1万分の1程度と低い値です。

なお、今回の研究では、失敗した超新星の候補であったNGC 6946-BH1の観測結果も併せて分析されました。NGC 6946-BH1は、M31-2014-DS1と比べて観測データの量も質も不足していますが、それでもM31-2014-DS1と一致する特徴を持っていることが判明しました。このため、現時点での確かさはM31-2014-DS1よりも劣るものの、それでもNGC 6946-BH1は失敗した超新星の次点候補となりそうです。

ひとことコメント

あまり目立たない失敗した超新星を調べることは、かなり目立つ “成功した” 超新星の研究にも役立つよ！（筆者）

 

文／彩恵りり　編集／sorae編集部