JWST、燃える超新星残骸の中に中性子星の証拠を発見

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を使用する天文学者たちは、37年にわたる謎のかくれんぼの勝者となり、その過程で恒星の死の謎を解いたかもしれない。彼らは、宇宙で最も有名な超新星の残骸の中に中性子星が存在するという最もよく知られた証拠を発見した。

この巨大な恒星の爆発は、非常に多くの破片を生み出したため、恒星の死の残骸をのぞき見るのに数年かかり、史上最強の宇宙望遠鏡の一つも必要だった。この発見は、2月22日にサイエンス誌に掲載された研究で詳しく述べられており、これらの劇的な天体の死の研究を前進させるものである。

「中性子星が塵の中に隠れているかどうかの謎は30年以上続いており、私たちがそれを解決できたことは非常にうれしい」と、研究の共著者でロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの天体物理学者マイク・バーロウ氏は声明で述べた。

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超新星とは何ですか？

超新星は、既知の宇宙で最も重い星のいくつかの爆発的な死です。超新星は太陽の 8 ～ 10 倍の質量を持つ星で発生するため、そのガスとエネルギーがすべて崩壊するには何年もかかります。最終的な最初の打撃は数時間で終わることもありますが、爆発の明るさは通常数か月以内にピークに達します。重要なのは、超新星は科学者が重要な天文学的プロセスをリアルタイムで研究する方法を提供していることです。このような爆発は、将来の星や惑星を形成する鉄、ケイ素、炭素、酸素で宇宙を満たします。生命を生み出す分子さえも作り出すことがあります。

研究チームはこの研究で、超新星 (SN) 1987A に注目した。このよく知られた超新星は、地球から 16 万光年離れた大マゼラン雲と呼ばれる領域で発生した。その光は 1987 年 2 月に初めて地球上で観測され、その年の 5 月に明るさがピークに達した。これは、1604 年のケプラーの超新星以来、肉眼で観測できる最初の超新星であった。

「超新星は生命の源となる化学元素の主な供給源です。そのため、私たちは超新星モデルを正しく構築したいと考えています」とバーロウ氏は言う。「超新星 1987A の中性子星のような天体は他にありません。これほど私たちの近くにあり、ごく最近形成されたものです。周囲の物質は膨張しているため、時間の経過とともにさらに多くが見えるようになるでしょう。」

SN 1987A は、コア崩壊型超新星とも考えられており、その凝縮された残骸は中性子星またはブラックホールを形成する可能性があります。超新星によって生成されたニュートリノと呼ばれる非常に小さな亜原子粒子は、中性子星が形成された可能性があることを示していました。しかし、SN 1987A が検出されてからほぼ 40 年が経過しましたが、この中性子星が存続したのか、ブラックホールに崩壊したのかは明らかになっていません。この星は爆発による塵に隠されています。

JWSTが中性子星を確認した経緯

この研究のための観測は、宇宙望遠鏡が運用を開始した直後の2022年7月16日に行われた。研究チームは、塵の向こう側を覗くために赤外線波長で超新星を観測できるJWSTの機器（MIRIとNIRSpec）を使用した。爆発が起こった場所の近くで、外側の電子が剥ぎ取られた重いアルゴンと硫黄の原子の証拠を発見した。このプロセスは電離と呼ばれる。

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研究者らは複数のシナリオをモデル化し、原子は高温で冷却中の中性子星からの紫外線とX線放射によってイオン化された可能性があることを発見した。また、高速で回転する中性子星によって加速され、超新星からの物質と相互作用した相対論的粒子の風による可能性もある。

「ジェイムズ・ウェッブのMIRIとNIRSpec分光計で、超新星1987Aを取り囲む星雲の中心から強い電離アルゴンと硫黄の輝線を検出したことは、電離放射線の中心源が存在する直接的な証拠です」とバーロウ氏は述べた。「私たちのデータは、その電離放射線のエネルギー源として中性子星のみに適合します。」

この発見は、中性子星の形成に関するいくつかの理論と一致している。モデルは、硫黄とアルゴンが、超新星になる直前の死にゆく星の内部で大量に生成されることを示唆している。SN 1987A やその他の超新星を研究している科学者は、超新星残骸の紫外線と X 線放射が、生まれたばかりの中性子星の存在を示すだろうと予測していた。今回、紫外線と X 線放射を使用することで、中性子星の発見に役立った。

「この超新星は私たちに驚きを与え続けています」と、研究の共著者でスウェーデン王立工科大学の天体物理学者ヨゼフィン・ラーソン氏は声明で述べた。「このコンパクトな天体がアルゴンからの超強力な輝線で検出されるとは誰も予想していなかったので、JWSTでそのように発見できたのは面白いことです。」