京大,超新星残骸に急速に増光・加熱する構造を発見

京都大学の研究グループは,今年で爆発から450周年を迎える「ティコの超新星残骸」をチャンドラX線天文衛星で観測した結果,わずか数年で急速に増光・加熱する特異な構造を発見した(ニュースリリース)。

超新星爆発により絶対零度の星間ガスが数1000万度まで加熱するプロセスの全貌はいまだ明らかになっていない。超新星爆発で生じる秒速1万〜数千キロメートルもの初速度で宇宙空間に広がっていく衝撃波が星間ガスを高温に加熱するが,これまで遠方の超新星残骸から加熱の瞬間を直接観測した例はなかった。

研究グループは,デンマークの天文学者ティコ・ブラーエが1572年に観測した超新星爆発の痕跡,ティコの超新星残骸に注目。チャンドラ衛星が2000年,2003 年,2007年,2009年,2015年に観測したティコの超新星残骸のX線データを解析した。

この天体は地球から8000光年と比較的近くに位置する超新星残骸で,画像を時系列に並べて「動画」にすると,衝撃波が宇宙空間を膨張する様子が手に取るようにわかる。この「動画」から,北東部のある領域で,X線が急増光する構造を発見した。爆発から数百年が経過してこのような年単位の変動が見つかることは珍しいという。

X線スペクトル解析やハッブル宇宙望遠鏡の可視光画像との比較から,この領域にはもともと濃い星間ガスが存在し,最近そこに超新星残骸の衝撃波が突入して数年で加熱が一気に進んだことを突き止めた。このような明らかな温度上昇は銀河系内の超新星残骸で初の発見だとする。

温度変化のタイムスケールから,ガス粒子同士が衝突して(熱)エネルギー交換が行なわれているまさにその最中を観測していることがわかった。また,詳しい数値計算と比較した結果,衝撃波加熱の瞬間に「無衝突」加熱も示唆された。

真空に近い希薄な宇宙空間では,衝撃波とガスがぶつかる瞬間,電場や磁場のような遠隔作用を介した「無衝突」と呼ばれるプロセスでエネルギーのやりとりが行なわれる。今回の研究により,超新星残骸の衝撃波で「無衝突」加熱が起きている可能性を示し,さらにその加熱効率を観測的に制限することに成功した。

今回の発見は,超新星爆発に限らず広く一般に天体の高エネルギー活動が宇宙空間に及ぼす影響について,粒子がエネルギーを得る一番初期の段階という観点から解き明かすものだという。

研究グループは,来年度打ち上げ予定のX線天文衛星XRISMのCCD検出器を遥かに凌ぐ分光性能によりイオンの熱運動のドップラー遷移を検出し,元素ごとの温度を測定して全粒子の熱化過程を明らかにし,無衝突衝撃波におけるエネルギー交換機構の全貌に迫るとしている。

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