東大,急に明るくなり高輝度で輝く超新星の謎解明

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)は,急激に明るくなり超高輝度で輝く新しいタイプの超新星の爆発メカニズムを探る研究を行ない,どのような星がどのような進化と爆発をした結果,このタイプの超新星となるかを突き止めた(ニュースリリース)。

2018年,AT2018cow(COW)とSN2018gep(GEP)という非常に明るく輝く超新星が現れた。

この2つの超新星は通常の超新星よりもピーク時の明るさが10倍から100倍と超高輝度超新星に匹敵する明るさになる上に,通常の超新星と比較して明るくなるまでの時間が短く,明るくなってからの持続時間も短いFBOT(Fast Blue Optical Transients)と呼ばれる超新星だが,FBOTの挙動の原因や,どのような星の進化・爆発によるものなのかは謎だった。

研究グループは,cowはFBOTに分類される超新星の中では最も明るい光度のピークを持ち,最も明るくなるまでの光度上昇の期間も約1日と最も短いこと,gepはcowに比べてやや暗く,光度上昇の期間が約3日と長いことが分かった。さらに,この2つの超新星の光度曲線モデルから,爆発に至る星の進化についての可能性を明らかにした。

それによると,まず爆発直前に星が大規模な膨張と収縮を繰り返す脈動を起こし,星から物質が大量に放出される。この脈動は,質量が太陽の80倍から140倍という巨大質量星の内部が非常に高温になった時に,電子・陽電子の対が生成されることで星が不安定になるために起こる。星からの放出物は星周物質(CSM)とよばれ,密度の高い星周物質に取り囲まれた星全体の半径は,通常の超新星爆発前の星よりはるかに大きくなる。

その後,星の中心部が重力崩壊を起こすと強い衝撃波が星と星周物質の中を伝わっていく。衝撃波が半径の大きな星周物質の表面に到達すると,その運動エネルギーが熱と光のエネルギーに変換されて,星が突発的に非常に明るくなり超高輝度の超新星が生じる。星周物質は比較的早く膨張して密度を下げエネルギーを失うため,超新星は早い段階で通常程度の明るさとなって暗くなっていく。

こうしたモデルに基づいた光度曲線は,cowとgepの観測データと良い一致を示した。また,星周物質が無い場合のモデルでは,明るくなるまでの期間が長くなることが分かり,FBOTの爆発メカニズムに深く関連していることも分かった。

研究グループは現在,パルス状に起きる脈動の大きさの違いがFBOTの明るさの挙動のばらつきを生み出すと提案しており,今後,仮説をより多くの観測データによって確認し,星周物質の他の発生源についても探っていくとしている。

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