約20億年の旅を経て、2022年10月9日、極めて高エネルギーのガンマ線バースト（GRB）からの光子が、ニール・ゲールズ・スウィフト天文台とフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡のセンサーに衝突した。GRBは7分間続いたが、もっと長い間見えていた。アマチュア天文家でさえ、この強力なバーストを可視周波数で発見した。
それは地球の大気に影響を与えるほど強力で、20億光年以上離れた天体としては驚くべき偉業である。観測された中で最も明るいGRBであり、それ以来、天体物理学者はその発生源を探し求めている。
NASAによれば、GRBは宇宙で最も強力な爆発である。GRBは1960年代後半、ソ連を監視するために打ち上げられたアメリカの衛星によって初めて検出された。アメリカは、ロシアが1963年の核実験禁止条約に署名したにもかかわらず、原爆実験を続けるのではないかと懸念していた。
現在では、毎日約1個のGRBが検出され、それらは常に遠方の銀河にある。天体物理学者たちは、さまざまな仮説を立てながら、この現象を説明するのに苦労した。GRBに関する研究は非常に盛んで、2000年までには、毎日平均1.5本のGRBに関する論文が科学雑誌に掲載されるようになった。
さまざまな原因が提案された。彗星が中性子星に衝突したときにGRBが放出されるのではないかという説もあった。また、大質量星が崩壊してブラックホールになったときに放出されると考える者もいた。実際、科学者たちは、クエーサー、超新星、パルサー、さらには球状星団がGRBの原因ではないか、あるいは何らかの形でGRBと関連しているのではないかと考えた。
GRBの光度曲線は非常に複雑であるため、混乱させられる。二つとして同じものはない。しかし、天体物理学者は進歩を遂げ、いくつかのことを学んだ。持続時間の短いGRBは、2つの中性子星の合体、または中性子星とブラックホールの合体によって引き起こされる。寿命の長いGRBは、大質量星が崩壊してブラックホールを形成することによって引き起こされる。
『B.O.A.T: Brightest Of All Time（史上最も明るい）』と呼ばれる超高エネルギーのGRB 221009Aを調査した『Nature』誌の新しい研究が、驚くべきことを発見した。この現象が発見された当初、科学者たちは、大質量星がブラックホールに崩壊することによって引き起こされると言っていた。新しい研究はそれを否定するものではない。しかし、新たな謎を提示している。なぜ新たに発見された超新星には重元素がないのか？
その研究とは、「JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature」である。筆頭著者は、CIERA（Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics）の博士研究員であるPeter Blanchardだ。
「GRBは非常に明るかったので、バースト後の最初の数週間から数カ月は、超新星の可能性のあるサインを覆い隠してしまいました。この時期、GRBの残光と呼ばれるものは、まるで車のヘッドライトのように直進してくるため、車そのものを見ることができなかったのです。そのため、超新星を見るチャンスを得るためには、残光がかなり弱まるのを待たなければならなかったのです」と、Blanchardは述べている。
「GRBが大質量星の崩壊によって生成されたことが確認されたとき、宇宙で最も重い元素のいくつかがどのように形成されるかについての仮説を検証する機会が与えられました。このことは、B.O.A.T.のような極めて高エネルギーのGRBでは、これらの元素は生成されないことを示唆している。これは、すべてのGRBが重元素を生成しないことを意味するわけではありませんが、これらの重元素がどこから来るのかを理解し続ける上で重要な情報です。JWSTによる今後の観測によって、B.O.A.T.の “通常の”いとこたちがこれらの元素を生成するかどうかが判明するでしょう」。
科学者たちは、超新星爆発が重元素を生成することを知っている。超新星爆発は、星間物質中の酸素（原子番号8）からルビジウム（原子番号37）までの元素の重要な供給源である。また、それよりも重い元素も生成する。重元素は地球のような岩石質の惑星を形成するのに必要であり、生命そのものにも必要である。しかし、天体物理学者は重元素がどのように生成されるかを完全に理解しているわけではないことに注意する必要がある。
科学者たちは当然、GRB 221009Aのような非常に明るいGRBでは、さらに多くの重元素が生成されるのではないかと考えた。しかし、それは発見されなかった。
「B.O.A.T.のような高輝度ガンマ線バーストは、金やプラチナのような重元素を大量に生成する可能性があるという仮説があったため、この事象は特にエキサイティングです。もしそれが正しければ、B.O.A.T.は金鉱だったはずです。もしそれが正しければ、B.O.A.T.は宝の山だったはずです」と、ハーバード大学とハーバード＆スミソニアン天体物理学センターの第二著者Ashley Villarは語った。。
星は元素合成によって重元素を作る。p プロセス、s プロセス、r プロセス（陽子捕捉プロセス、低速中性子捕捉プロセス、高速中性子捕捉プロセス）である。rプロセスはsプロセスより速く中性子を捕捉し、鉄より重い元素の約半分に関与している。rプロセスはまた、これらの重元素の最も安定な同位体の原因でもある。
以上、宇宙におけるrプロセスの重要性を説明した。
研究者たちはJWSTを使ってGRB 221009Aの真相に迫った。GRBは天の川に覆われて見えなかったが、JWSTは赤外線を感知し、天の川のガスや塵を見通すことができた。望遠鏡のNIRSpec（近赤外線分光器）は、酸素やカルシウムのような元素を感知する。超新星の明るさを考えると驚きである。
「これまでの超新星よりも明るくはありません。それほど高くないエネルギーのGRBに関連した他の超新星と比較すると、ごく普通のものです。非常に高エネルギーで明るいGRBを発生させる同じ崩壊星が、非常に高エネルギーで明るい超新星も発生させると期待するかもしれない。しかし、そうではないことがわかった。この非常に明るいGRBがありますが、普通の超新星です」。と、Blanchardは語る。
超新星の存在を確認することは、GRB221009Aを理解するための大きな一歩であった。しかし、rプロセス・シグネチャーがないことは、まだ困惑している。
科学者たちは、キロ新星爆発と呼ばれる2つの中性子星の合体でしかrプロセスを確認していない。しかし、重元素の豊富さを説明するには、中性子星の合体は少なすぎる。
「連星中性子星が合体するには非常に長い時間がかかります。連星系の2つの星は、まず爆発して中性子星を残さなければならない。それから、2つの中性子星がゆっくりと近づいていき、最終的に合体するまでに何十億年も何百億年もかかります。しかし、非常に古い星の観測から、ほとんどの連星中性子星が合体する前に、宇宙の一部が重金属で濃縮されていたことが示されている。それは、別の経路を指し示しているのです」と、Blanchardは語る。
研究者たちは、このような光り輝く超新星で残りの部分を説明できるのではないかと考えてきた。超新星には、より多くの重元素が合成される可能性のある内層がある。しかし、その層は見えない。事態が落ち着いて初めて内層が見えるようになる。
「爆発した星の物質は初期には不透明なので、外側の層しか見えません。しかし、膨張して冷えると透明になります。そうすると、超新星の内層からやってくる光子を見ることができるのです」と、Blanchardは語る。。
すべての元素には分光学的な特徴があり、JWSTのNIRSpecは非常に有能な装置である。しかし、超新星の内層でも重い元素を検出することはできなかった。
「B.O.A.T.のスペクトルを調べたところ、重元素のサインは見られず、GRB 221009Aのような極端な事象が一次的な発生源ではないことが示唆されました。これは、最も重い元素がどこで形成されるのかを突き止めようとし続けている我々にとって、極めて重要な情報です」。
科学者たちは、GRBとその重元素の欠如についてまだ不確かである。しかし、手がかりになるかもしれないもう一つの特徴がある。
「r-プロセスの第二の場所として提案されているのは、BNSの合体の余波と同じような状態を作り出し、ブラックホールに崩壊する大質量星の急速に回転するコアである」と著者らは論文に書いている。理論シミュレーションは、これらのいわゆる “コラプサー”における降着円盤の流出が、r-プロセスが起こるのに必要な中性子過剰状態に達する可能性を示唆している。
研究者たちが言う “降着円盤の流出”とは、相対論的ジェットのことである。ジェットが細ければ細いほど、そのエネルギーは明るく集中する。
重元素の鍛造に一役買っているのだろうか？
「それは、懐中電灯のビームを狭い柱に集中させるようなものです。実際、これはこれまでのガンマ線バーストで観測された中で最も狭いジェットのひとつであり、なぜ残光がこれほど明るく見えたのかのヒントになる。この疑問は、研究者たちが今後何年もかけて研究することになるでしょう」と、著者らは語る。
研究者たちはまた、NIRSpecを使ってGRBのホスト銀河のスペクトルを集めた。この銀河は、GRBをホストしていることが知られている銀河の中で最も金属量が少ない。それが要因なのだろうか？
「これは、LGRBの中でも最も金属量の低い環境の一つであり、我々の知る限り、これまでのGRB-SNでも最も金属量の低い環境である。このことは、非常にエネルギーの高いGRBを生成するためには、非常に低い金属量が必要であることを示唆しているのかもしれない」と、著者らは語る。
ホスト銀河はまた、活発に星を形成している。これも手がかりになるのだろうか？
「スペクトルは星形成の兆候を示しており、元の星の誕生環境が以前の事象とは異なる可能性を示唆しています」とBlanchard。
ペンシルバニア州立大学の大学院生で、この論文の共著者であるYijia Liは「これは、B.O.A.T.のもう一つのユニークな側面であり、その性質を説明する助けになるかもしれません。B.O.A.T.で放出されたエネルギーは完全に桁外れで、人類がこれまで見た中で最もエネルギッシュな現象のひとつでした。B.O.A.T.で放出されたエネルギーは完全に桁外れで、人類がこれまで見た中で最もエネルギッシュな現象でした」と、語る。
これもまた、ひとつの謎を解くことが、別の未解決の謎につながるケースである。JWSTは、宇宙に関する基本的な疑問に答えるために打ち上げられた。これまで検出された中で最も強力なGRBの背後に超新星があることを確認することで、JWSTはその仕事の一部を果たしたことになる。
しかし、JWSTはまた別の謎を発見し、私たちを再び宙吊りにした。
JWSTは意図したとおりに動いている。
この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
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