JWSTが近くの超新星に関する数十年来の謎を解明

ほぼ 40 年前、地球の住人は珍しい宇宙の光景、つまり肉眼でも見える空で爆発する星を目の当たりにしました。超新星 1987A (SN 1987A) と呼ばれるこの現象は、過去 4 世紀で最もそれに近い出来事でした。天文学者たちは恒星の残骸を観察しようとして以来、放射性の灰と白熱ガスの膨張する星雲に覆われた超新星の中心近くに潜んでいるに違いないと知っていた。今回、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の力のおかげで、科学者チームはついにそのとらえどころのない採石場を発見し、爆発によって星の光を飲み込むブラックホールではなく、非常に密度の高い中性子星が生じたという疑惑を裏付けた。

この発見は木曜日に発表された。 科学JWST の前例のない赤外線機能を使用して、SN 1987A を囲むベールを突き破り、文字通り新しい光で見ることができるようにしました。スウェーデンのストックホルム大学のクレス・フランソン率いる天文学者らは、星の消滅によって残された残骸の中心部を調べて、イオン化したアルゴンと硫黄の痕跡、つまり電子がノックアウトされるほど何らかの外力によって衝撃を受けた元素の証拠を検出した。これらのエネルギーを帯びた元素は、近くの中性子星からの強い紫外線や X 線の衝突によって形成されない限り、SN 1987A の「爆心地」の近くに存在するとは予想されません。爆発的な放射線の噴出によって引き起こされるブラックホールも結果を説明できる可能性があるが、30年以上にわたる観測ではSN 1987Aの内部にそのようなものの他の兆候は示されておらず、JWSTの結果は中性子星の存在のほぼ完全な証拠となっている。

ウェールズのカーディフ大学の天体物理学者松浦美加子氏は「非常にエキサイティングだ」と語る。松浦氏はこの研究には関与しておらず、2019年にはこの超新星から中性子星が見つかるだろうと示唆していた。 「これはおそらく、超新星 1987A に中性子星が存在したことを示す最も強力な証拠です。」

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SN 1987A は、1987 年 2 月 23 日に、地球から約 16 万光年離れた天の川銀河の矮小衛星銀河である大マゼラン雲で爆発しました。約2万光年離れた銀河系内で星が爆発した1604年のケプラーの超新星以来、これほど地球の近くで超新星が観測されたことはない。 SN 1987A は当初、空の突然の明るさによって発見されましたが、超新星爆発の最初の兆候は、閃光の数時間前に地球に衝突したニュートリノの爆発によってもたらされたことが判明しました。地球上に点在するニュートリノ観測所で記録されたその爆発は、星の散在する破片のどこかに中性子星が形成された証拠を物語っていた。さらなる分析により、SN 1987A の祖先は太陽の約 18 倍の質量を持つ青色超巨星であった可能性が高く、重いが、ブラック ホールを容易に形成するにはまだ軽すぎることが判明したため、中性子星であるとの主張が大きくなりました。

超新星は主に 2 つの方法で発生します。1 つは星が小さな伴星から物質を抽出しすぎて爆発する場合です。これにより、ケプラー超新星と同様の Ia 型超新星が発生します。もう 1 つのタイプの超新星である SN 1987A のようなタイプ II 超新星は、深部からの光の外向きの圧力によって自重での崩壊を防がれていた非常に重い星が、突然中心部の燃料を使い果たすときに発生します。星を支える余剰の星の光がなくなると、星の外層が中心に向かって落ち、その後跳ね返って外側に爆発し、衝撃波が周囲の物質に波紋を送ります。このプロセスにより、銀河全体に相当する星よりも多くの光が急速に放射され、太陽質量の核が都市ほどの大きさの超高密度の球体、つまり中性子星に粉砕されます。最初の星が特に重い（太陽質量 20 以上）場合、結果としてより重い中性子星が崩壊してブラック ホールになります。

中性子星がこれほど近くにあることは科学的に興味深いことだと、この研究には関与していない英国のセントラル・ランカシャー大学のジョアン・プレジャー氏は言う。 「中性子星では物理学が異なります」と彼女は言い、これらの天体の極度の重力場が内部を圧迫して物質のエキゾチックな状態を作り出し、周囲の時空構造を大きく歪めていると指摘する。 「中性子星、特に近くの中性子星を検出できれば、非常によく研究でき、実験室では再現できない領域の物理法則を理解し始めることができます。」

天文学者たちはすでにSN 1987Aがブラックホールを残していないのではないかと疑っていましたが、それを確かめたかったのです。フランソン氏らは、JWSTが科学活動を開始していた2022年7月に、超新星中心付近で目に見えてイオン化したアルゴンと硫黄の特徴的な痕跡を観測した。 」[SN 1987A] それは最初に観測された天体の一つでした」と、JWST が超新星の余波を約 10 時間研究しているフランソン氏は言う。

「それらを生み出すことができる唯一のエネルギー源 [signs] 「それは中性子星だ」と、研究の共著者であるアイルランドのメイヌース大学のパトリック・カバナー氏は言う。ブラックホールが同じことをするためには、証拠のない別の星のような発生源からの物質を貪欲に食べる必要があるだろう。「私たちは、あらゆる可能性を評価したと自信を持っている。中性子星の存在を完全に排除した。」とカバナー氏は言う。

イオン化した物質が発する光を注意深く分析すると、中性子星がSN 1987Aのちょうど中央にあるわけではないことがわかりました。むしろ、超新星からの「キック」を受けたため、わずかにオフセットされています。星が爆発したとき、わずかな不均衡があれば、流出物質の多くがどちらかの側に移動し、風船から絞り出された卵のように中性子星が反対方向に転がり戻った可能性があります。この観測は、中性子星が大変動の誕生の場所から約5000億キロメートル離れたところを、わずかに私たちに向かって移動していることを示唆している。 「衝突速度は毎秒約400キロメートルです」とカバナー氏は言う。これは地球上の私たちにとっては考えられないほど速いが、それでも膨大な光年に対しては氷河のように遅い。

明らかではないのは、SN 1987A の残りの部分が 一人で 中性子星。代わりに、それはパルサー、つまり非常に高速で回転し、宇宙の灯台の光のように空の帯を横切るエネルギーの流れを極から発射する中性子星である可能性があります。 「パルサーが存在するとしても、ビームは私たちに向けられていないので、それを検出することはできません」と天体物理学センターのイベット・センデスは言う。ハーバード大学とスミソニアン大学はこの研究には関与していなかった。しかし、それを知る別の方法があるかもしれません。標準的な中性子星のシナリオでは、星の残骸の純粋な熱が非常に強いため、イオン化したシリコンの標識が形成され、それが膨張する雲の中にさらに広がります。パルサーモデルでは、放出が熱によって支配されるのではなく、最も内側のデブリに衝突する電子や他の粒子の風によって支配されるため、イオン化したシリコンはより少なくなるはずです。したがって、シリコンが検出され、SN 1987A の周囲にマッピングできれば、「両者を識別できる」とカバナー氏は言う。 2023年の秋と今週初めにチームが実施した、未発表の追跡調査JWST観測にその答えがあるかもしれない。

これらの観測は、II型超新星爆発後の初期の瞬間についての新たな洞察を提供します。 「中性子星の形成をこれまで見たことがありません」とフランソン氏は言う。これで、JWST や他の望遠鏡を使ってこの宇宙的に新しい天体をさらに研究することで、天文学者はこれらの不可解な星の出来事についてさらに詳しく知ることができるはずです。 「私たちの銀河系で超新星が見られるまでは、これが私たちがこれから観測する中で最もよく研​​究されたものになるだろう」とセンデス氏は言う。

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