東北大ら,中性子星の合体で合成された元素を特定

東北大学,核融合科学研究所,東京大学,独マックスプランク研究所は,中性子星合体からの光のスペクトルを解読するため,全ての重元素の性質を網羅的に調べ,スーパーコンピュータを用いて詳細な数値シミュレーションを行なった結果,レアアースのランタンとセリウムが,中性子星の合体で実際に観測された赤外線スペクトルの特徴を説明できることを明らかにした(ニュースリリース)。

宇宙には中性子ばかりでできた中性子星という天体が存在し,二つの中性子星が組になっていると重力波を放って合体することが知られている。このとき中性子星の一部が宇宙空間に吹き飛ばされると,金やプラチナ,レアアースなどの重元素が作られ,可視光から赤外線にかけて輝く現象 「キロノバ」が見られると考えられていた。

2017年8月には連星中性子星合体からの重力波(GW170817)に伴って「キロノバ」が観測され,中性子星合体で確かに重元素が合成されていることが確認されたが,中性子星合体で合成された元素の種類や量は明らかになっていない。

一般に,宇宙にある天体に含まれる元素は,スペクトルに見られる吸収線を調べることで種類を直接特定することができる。しかし,中性子星合体では物質が高速で膨張しているため,光のドップラー効果で波長がずれてしまい,元素の特定は非常に難しい。さらに,中性子星の合体によって作られる元素は鉄よりも重い元素ばかりで,そのような元素がスペクトルにどのような特徴を作るかも分かっていなかった。

中性子星合体GW170817に伴って観測された「キロノバ」では詳細なスペクトルが得られており,可視光域では,これまでにストロンチウムの兆候が報告されているが,赤外線域には解読されていない吸収線の特徴が残されていた。

研究グループは,「キロノバ」のスペクトルを解読するため,全ての重元素がどの波長にどのような吸収線を作るかを網羅的に調べた。そして国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」を用いて詳細な数値シミュレーションを行ない,「キロノバ」のスペクトルを計算した。

その結果,レアアースのランタンとセリウムがキロノバの赤外線スペクトルに吸収線を作ること,そして中性子星合体GW170817のスペクトルに見えていた吸収線の特徴がそれらのレアアースによって説明できることが分かり,実際に中性子星合体でランタンとセリウムというレアアースが合成されたことが初めて直接特定された。

研究グループは,今回確立した手法を用いることで,宇宙における重元素の起源の理解が大きく進むことが期待されるとしている。

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