「星の壮絶な最期を初観測！」2200万光年先、太陽500倍の“巨大星爆発”の決定的瞬間

2200万光年離れた太陽500倍の大星

星の表面を突き破って噴出する様子を初めて捉えた

天文学者らは超新星爆発の最初の段階で星の表面が破壊される瞬間を捉えることに成功した。観測結果によると、爆発初期に噴出する物質は星を突き破り、オリーブ形を形成することが明らかになった。

この珍しい光景は天文学者と天文台の機敏な対応のおかげで可能となった。今回の研究の主著者である中国の清華大学のヤン・イー教授（物理学）が、チリの小惑星地球衝突最終警報システム（ATLAS）カメラで超新星「SN 2024ggi」が検出されたという知らせを受けたのは、長距離飛行の末にサンフランシスコに到着した2024年4月10日の夜だった。超新星爆発初期の様子を見られる絶好の機会だと判断した彼は、仲間と共に翌朝すぐにヨーロッパ南天天文台（ESO）に観測提案書を送り、できるだけ早く観測時間を求めた。天文台は急いで承認手続きを進め、チリにある超大型望遠鏡（VLT）を超新星観測に割り当てた。超新星初回検出から26時間後のことだった。

超新星とは、星が生涯の最後の段階で核融合を起こし、非常に明るく輝く爆発的現象を指す。太陽質量の8倍を超える星は自身の中心核崩壊（Ia型超新星）を通じて、質量がそれ以下の星は伴星がある場合（II型超新星）に超新星爆発を引き起こす。

ヤン教授を含む国際研究チームは今回の観測を通じて、星の中心部近くで爆発によって加速された物質が星の表面を突き破って噴出する段階を初めて捉えた。共同著者であるヨーロッパ南天天文台のディートリッヒ・バーデ博士は「数時間にわたり星の幾何学的構造と爆発を同時に観察できた」と述べた。

周囲の物質と反応する前の段階

生を終えた巨大星の葬式とも言える超新星爆発が起こるメカニズムは、まだ明確には知られていない。ヤン教授は「今回の観測は宇宙の花火のような超新星爆発を引き起こす物理的過程が、どのように進行するのかに関する基礎情報を提供する」と述べた。

星が生涯の間に丸い形を維持するのは、星を圧縮する重力と星を膨張させる核融合エネルギーの力がバランスを保っているからだ。しかし太陽質量の8倍を超える巨大星の場合、核融合燃料が枯渇すると重力の力で核が崩壊し、星が収縮するが、密度がある限界点に達するとそれに対する反発力で再び爆発が起こり、膨大なエネルギーが放出される。この時、星が劇的に明るくなり、この瞬間をうまく捉えれば噴出された物質が星を取り囲む物質と相互作用する前の状態を研究できる。

2200万光年の距離にあるこの超新星爆発を引き起こした星は質量が太陽の12〜15倍、半径が太陽500倍（約2億5千万km）の赤色超巨星であり、巨大星爆発の典型的な例と言える。

形が平らになっても対称形は維持

研究チームは今回の観測に爆発の幾何学的構造を把握できる分光偏光測定法という技術を使用した。非常に小さな角度まで捉えることができる技術だ。

この技術を通じて、膨大なエネルギーの物質が初めて星の表面を突き破って出てきてオリーブ形を形成した後、星の外側の物質と衝突しながら形が平らになっていくことが分かった。ヤン教授は「最初の光の粒子と物質は（一般的な予想とは異なり）星の表面から球形（球状）に噴出されなかった」と述べ、「これは星の中心部で爆発がどのように引き起こされるのかに関する情報を提供する」と説明した。

しかし対称形はそのまま維持された。ヤン教授は「今回の発見は巨大星の超新星爆発を引き起こす共通の物理法則が存在することを示唆している」と述べた。

研究に参加していないプリンストン大学のアダム・バローズ教授（天体物理学）は「非常に重要な観測結果」と述べ、「今回の観測を通じて超新星爆発理論が全般的に検証されたようだ」と評価した。

彼が言う超新星爆発理論とは、崩壊する物質が作る衝撃波が星内部の深いところでエネルギーを得た中性微子という亜原子粒子によって再び力を得て、まるで鍋で水が沸くように上層部を加熱しながら爆発が起こるというものだ。現在、核崩壊型超新星爆発を説明する主流仮説となっている。

バローズ教授は「具体的な詳細を明らかにするにはさらに多くの観測が必要だろうが、この一般的な理論がデータで確認されたようだ」と付け加えた。