第23章恒星の死The Death of Stars

What about the shorter gamma-ray bursts? The gamma-ray emission from these events lasts less than 2 seconds, and in some cases may last only milliseconds—an amazingly short time. Such a timescale is difficult to achieve if they are produced in the same way as long-duration gamma-ray bursts, since the collapse of the stellar interior onto the black hole should take at least a few seconds.

短いガンマ線バーストはどうだろうか。ガンマ線放射は2秒未満で、ときにはわずか数ミリ秒という、驚くほど短い時間しか続かない。長いバーストと同じ仕組みでは、この時間スケールを実現しにくい。星の内部がブラックホールへ崩壊するには、少なくとも数秒はかかるはずだからだ。

Astronomers looked fruitlessly for afterglows from short-duration gamma-ray bursts found by BeppoSAX and other satellites. Evidently, the afterglows fade away too quickly. Fast-responding visible-light telescopes like ROTSE were not helpful either: no matter how fast these telescopes responded, the bursts were not bright enough at visible wavelengths to be detected by these small telescopes.

天文学者は、ベッポサックスなどの衛星が見つけた短いバーストの残光を探したが、成果はなかった。どうやら、残光があまりに速く消えてしまうのである。ROTSEのような素早く応答する可視光望遠鏡も役に立たなかった。どれほど速く対応しても、可視光では、これらの小さな望遠鏡が検出できるほど明るくなかったからだ。

Once again, it took a new satellite to clear up the mystery. In this case, it was the Swift Gamma-Ray Burst Satellite, launched in 2004 by a collaboration between NASA and the Italian and UK space agencies (Figure 23.23). The design of Swift is similar to that of BeppoSAX. However, Swift is much more agile and flexible: after a gamma-ray burst occurs, the X-ray and UV telescopes can be repointed automatically within a few minutes (rather than a few hours). Thus, astronomers can observe the afterglow much earlier, when it is expected to be much brighter. Furthermore, the X-ray telescope is far more sensitive and can provide positions that are 30 times more precise than those provided by BeppoSAX, allowing bursts to be identified even without visible-light or radio observations.

再び、新しい衛星が謎を解くために必要となった。今度は、2004年にNASAとイタリア、イギリスの宇宙機関の協力で打ち上げた、スウィフト・ガンマ線バースト衛星である（図23.23）。設計はベッポサックスに似ているが、はるかに機敏で柔軟だった。バーストが起きると、数時間でなく数分以内に、X線と紫外線の望遠鏡を自動で向け直せる。そのため、ずっと早く、もっと明るいと期待されるうちに残光を観測できる。さらに、X線望遠鏡ははるかに高感度で、ベッポサックスより30倍精密な位置を得られる。可視光や電波の観測がなくても、発生源を特定できるようになった。

On May 9, 2005, Swift detected a flash of gamma rays lasting 0.13 seconds in duration, originating from the constellation Coma Berenices. Remarkably, the galaxy at the X-ray position looked completely different from any galaxy in which a long-duration burst had been seen to occur. The afterglow originated from the halo of a giant elliptical galaxy 2.7 billion light-years away, with no signs of any young, massive stars in its spectrum. Furthermore, no supernova was ever detected after the burst, despite extensive searching.

2005年5月9日、スウィフトは、かみのけ座の方向から来る、0.13秒続くガンマ線の閃光を検出した。注目すべきことに、X線の位置にある銀河は、長いバーストが見られたどの銀河とも、まったく異なっていた。残光は、27億光年先の巨大楕円銀河のハローから来ており、そのスペクトルには若い大質量星の兆候がなかった。さらに、念入りに探しても、バーストの後に超新星は一度も検出されなかった。

What could produce a burst less than a second long, originating from a region with no star formation? The leading model involves the merger of two compact stellar corpses: two neutron stars, or perhaps a neutron star and a black hole. Since many stars come in binary or multiple systems, it’s possible to have systems where two such star corpses orbit one another. According to general relativity (which will be discussed in Black Holes and Curved Spacetime), the orbits of a binary star system composed of such objects should slowly decay with time, eventually (after millions or billions of years) causing the two objects to slam together in a violent but brief explosion. Because the decay of the binary orbit is so slow, we would expect more of these mergers to occur in old galaxies in which star formation has long since stopped.

星形成のない領域で、1秒未満のバーストを生むものは何だろうか。有力なモデルは、小さく高密度の星の残骸二つの合体を想定する。中性子星二つ、あるいは中性子星とブラックホールである。多くの星は連星や多重星の系に属するので、このような残骸二つが互いを回る系もあり得る。「ブラックホールと曲がった時空」で扱う一般相対性理論によれば、このような天体の連星の軌道は、時間とともにゆっくり縮小するはずだ。やがて何百万年、何十億年もたつと、二つは激突し、激しいが短い爆発を起こす。軌道の縮小は非常に遅いため、星形成がはるか昔に止まった古い銀河で、こうした合体がより多く起こると予想される。

While it was impossible to be sure of this model based on only a single event (it is possible this burst actually came from a background galaxy and lined up with the giant elliptical only by chance), several dozen more short-duration gamma-ray bursts have since been located by Swift, many of which also originate from galaxies with very low star-formation rates. This has given astronomers greater confidence that this model is the correct one. Still, to be fully convinced, astronomers started searching for a “smoking gun” signature for the merger of two ultra-dense stellar remnants.

一つの現象だけでは、このモデルを確実とは言えなかった。実は背後の銀河から来たバーストが、たまたま巨大楕円銀河と重なっただけ、という可能性もあるからだ。しかし、その後スウィフトは、短いバーストの位置をさらに数十個特定し、その多くも星形成率の非常に低い銀河から来るとわかった。これによって、モデルが正しいという確信は強まった。それでも完全に納得するため、天文学者は、超高密度の星の残骸二つの合体を示す、『動かぬ証拠』となる特徴を探し始めた。

Astronomers identified two observations that would provide more direct evidence. Theoretical calculations indicate that when two neutron stars collide there will be a very special kind of explosion; neutrons stripped from the neutron stars during the violent final phase of the merger will fuse together into heavy elements and then release heat due to radioactivity, producing a short-lived but red supernova sometimes called a kilonova. (The term is used because it is about a thousand times brighter than an ordinary nova, but not quite as “super” as a traditional supernova.) Hubble observations of one short-duration gamma-ray burst in 2013 showed suggestive evidence of such a signature, but needed to be confirmed by future observations.

天文学者は、より直接的な証拠をもたらす観測を二つ考えた。理論計算によれば、二つの中性子星が衝突すると、特別な種類の爆発が起こる。合体の最後の激しい段階で、中性子星からはぎ取られた中性子が結び付き、重い元素を作る。その後、放射能によって熱を放ち、短命だが赤い超新星となる。キロノバと呼ばれることがある。普通の新星の約1000倍明るいが、従来の超新星ほど『超』ではないため、この名が使われる。2013年の短いバーストのハッブル観測では、この特徴を示唆する証拠が得られたが、将来の観測による確認が必要だった。

The second “smoking gun” is the detection of gravitational waves. As will be discussed in Black Holes and Curved Spacetime, gravitational waves are ripples in the fabric of spacetime that general relativity predicts should be produced by the acceleration of extremely massive and dense objects—such as two neutron stars or black holes spiraling toward each other and colliding. The construction of instruments to detect gravitational waves is very challenging technically, and gravitational wave astronomy became feasible only in 2015. The first few detected gravitational wave events were produced by mergers of black holes. In 2017, however, gravitational waves were observed from a source that was coincident in time and space with a gamma-ray burst. The source consisted of two objects with the masses of neutron stars. A red supernova was also observed at this location, and the ejected material was rich in heavy elements. This observation not only confirms the theory of the origin of short gamma-ray bursts, but also is a spectacular demonstration of the validity of Einstein’s general theory of relativity.

二つ目の『動かぬ証拠』は、重力波の検出である。「ブラックホールと曲がった時空」で述べるように、重力波は時空という織物のさざ波である。一般相対性理論は、極めて重く高密度の天体の加速によって生じると予言する。互いの周りを渦巻くように回りながら近づき、衝突する中性子星やブラックホールの対などが、その例である。検出装置の建設は技術的に非常に難しく、重力波天文学が実現可能になったのは、2015年になってからだった。最初の数件はブラックホールの合体によるものだった。しかし2017年、ガンマ線バーストと時間・場所が一致する発生源から、重力波が観測された。その発生源は、中性子星の質量を持つ二つの天体からなっていた。同じ場所では赤い超新星も観測され、放出された物質には重い元素が豊富だった。この観測は、短いガンマ線バーストの起源の理論を確かめただけでなく、アインシュタインの一般相対性理論が正しいことを示す、見事な実証でもある。