要点

• 2013 年 4 月 27 日に過去 23 年間で最も強いガンマ線バースト（用語１）を観測
• ガンマ線バーストとしては “近所” の 38 億光年の距離で起きたにもかかわらず、その性質は遠方、宇宙初期の「モンスター」と変わらない
• 従来からの標準的なガンマ線放射モデルに疑問を投げかける

概要

東京工業大学など日本の研究グループを含む国際共同観測チームは、観測史上最大級の「モンスター」ガンマ線バースト「GRB 130427A」をとらえることに成功した。詳しいデータ解析の結果、今回のバーストは宇宙年齢 100 億年という現在とほぼ同じ宇宙環境で発生したにもかかわらず、宇宙初期に発生する普通のバーストと同じ「モンスター」としての性質をもっていることが分かった。今までで最も近傍で発生したバーストの場合は爆発エネルギーが著しく小さく、別種の現象の可能性が高かったが、地球に近いからこそ得られた「普通のモンスター」の高品質のデータによって、従来のガンマ線放射機構の理論は再考を迫られることになった。

ガンマ線バーストは、太陽の数十倍の質量をもつ恒星が一生の最後に起こす大爆発で、平均的には宇宙年齢 30 億年の宇宙初期、すなわち 100 億光年を超える遠方で発生する。今年 4 月 27 日に発生した GRB 130427A はもともと大きな爆発エネルギーをもつガンマ線バーストだったが、38億光年という“近所”で発生したためにとびきり明るく観測された。

この研究成果は11月22日発行の米科学誌「サイエンス」に掲載される。

研究成果

東京工業大学大学院理工学研究科の河合誠之教授らや理化学研究所、青山学院大学などのグループは、宇宙航空研究開発機構（JAXA）と理化学研究所が開発し国際宇宙ステーション（ISS）の「きぼう」日本実験棟に搭載された全天Ｘ線監視装置 MAXI（用語２）を用いて、このバーストのＸ線残光の観測に成功した。また、東工大と国立天文台は、バースト発生後、5 夜後まで明るい残光を山梨県、岡山県および石垣島から MITSuME 望遠鏡 3 色カメラ（用語３）で撮影して減光の様子を詳しくとらえた。日本の研究者も参画しているフェルミ宇宙ガンマ線望遠鏡衛星（用語４）は、予想を超える 20 時間という長時間にわたって高エネルギーガンマ線を検出した。

このガンマ線バーストはもともとの放射エネルギーが最大級だった上に、距離 38 億光年（赤方偏移 0.34）という異例な近傍で発生したために、過去 23 年間で最も強いガンマ線と明るい X 線残光、可視光残光が観測され、爆発的な初期の放射から数日後まで続く残光への時間的発展がいままでにない精度で調べられた。

遠くの天体を観測することは、過去の宇宙の状態を見ていることに対応する。今回のバーストが起きた場所は比較的我々の天の川銀河に近く、現在とほぼ同じ宇宙環境と言っても良いだろう。それにもかかわらず今回のバーストは、初期の宇宙に発生している大多数のガンマ線バーストと同じ特徴をもつことが分かった。「モンスター」とも言うべき巨大な爆発であるガンマ線バーストは、大変稀な現象で、今回観測された規模のものがこれほどの近傍で観測される頻度は 60 年に 1 回程度と推定され、宇宙年齢 70 億年以降に発生したガンマ線バーストとしては観測史上最大のものである。

“近所” で発生したために、今までにない高品質なデータが得られ、ガンマ線バーストの放射の理論を精密に検証することが可能になった。例えば、Fermi 衛星は 10 億電子ボルト（用語５）より高いエネルギーのガンマ線を 20 時間にわたって検出し、その中には観測史上最高の 950 億電子ボルトに達する光子も含まれていた。これは従来の放射理論に再考を迫るものである。

背景

ガンマ線バーストの多数を占める継続時間が 2 秒以上の「長い」ガンマ線バーストは、太陽の数十倍の質量をもつ恒星が燃え尽きて自分自身の重力でブラックホールに崩壊する時に放出される光速に近いジェットから放射されると考えられている。

しかしその仕組みは完全には解明されていない。ガンマ線バーストのジェットが宇宙空間に希薄に分布するガスによって減速しながら放射する「残光」は X 線、可視光、電波など広い波長にわたって放射され、次第に暗くなりながら数時間、時には数日間以上観測される。ガンマ線バーストの多くはビッグバン後、数十億年という宇宙初期に発生するため、この残光を使って、ガンマ線バーストそのものの研究はもちろん、宇宙創成以来の星や銀河の形成の歴史や、遠方の銀河の内部を探るためのユニークなツール（明るい光源）として活用されている。

このように、ガンマ線バーストはブラックホールの形成や光速に近いジェットなど相対論的極限状態（用語６）の物理学を調べる実験室として、また初期の宇宙を探る道具として重要な天体現象であるため、ガンマ線バーストの観測を主要な目標とする衛星 Swift 衛星（用語７）や Fermi 衛星が広い天域を観測し続け、年間 100 個以上のガンマ線バーストを検出している。また ISS 上の MAXI も年間 10 個程度のガンマ線バーストを検出している。

衛星がガンマ線バーストを受けると、直ちにインターネットを通じて全世界の観測者に速報が届けられる。東工大、国立天文台などのグループが運用している MITSuME 望遠鏡をはじめ、この速報に対応して自動的に即時追跡観測を行うロボット望遠鏡が世界各地に設置されている。

研究の経緯

4 月 27 日 7 時 47 分 6 秒（国際標準時）に、Swift 衛星および Fermi 衛星が極めて強いガンマ線バーストをしし座の方角から検出した（図１参照）。ガンマ線バーストはおよそ 300 秒続き、その後、Swift の X 線望遠鏡によって明るい X 線残光が観測された。MAXI はバースト開始から 3257 秒後と 8821 秒後にガンマ線バーストの位置をスキャンし、X 線残光を検出した。前後の Swift 衛星の観測と比べると、長い時間にわたって単調に X 線残光が減光していたことが分かった。（図４参照）

GRB 130427A が発生したのは日本時間では午後 4 時 47 分で、東工大の運営している明野 MITSuME 望遠鏡と国立天文台岡山天体物理観測所の岡山 MITSuME 望遠鏡は日没後に観測を開始し、明るい可視光残光の減光の様子を一晩にわたって観測した（図２、図５参照）。また、国立天文台石垣島天文台むりかぶし望遠鏡では翌晩、翌々晩、および5日後に残光を観測し、爆発エネルギーの推定に重要となる光度曲線の折れ曲がり（用語８）を検出した（図３、図４参照）。

このバーストの発生源の距離は別の望遠鏡の分光観測によって 38 億光年とガンマ線バーストとしては近傍であることが分かった。この距離はビッグバンから 100 億年という宇宙年齢に相当する。これらの観測結果を総合すると、GRB130427A の性質は、宇宙年齢 30 億年の宇宙初期で発生する「普通の」ガンマ線バーストと変わらないことが分かった。今までで最も近くで発生したガンマ線バーストの場合は放射エネルギーが著しく小さかったために普通のガンマ線バーストとは別種であると考えられている。

今後の展開

GRB 130427A の高品質の X 線 γ 線観測データはほとんど公開されており、多くの研究者によってさらに詳細な解析が進められ、ガンマ線バーストの理論を検証する研究が進むと期待される。さらに先を見通すと、今後のガンマ線バーストの研究に残された重要な課題は、今回と異なる種族の「短い」ガンマ線バーストの正体を明らかにすることと、宇宙における初代の星の爆発による最も古いガンマ線バーストを見つけることだ。

短いガンマ線バーストの起源として有力候補とされる中性子星連星の合体は、数年後に稼働し始める重力波望遠鏡のターゲットでもある。また 10 年以内に実現する口径 30 メートルの大望遠鏡 TMT は最遠方ガンマ線バーストの観測に大いに役立つと期待され、今後 10 年間はガンマ線バースト研究において重要な時期になる。

ガンマ線バーストの観測は、現在は Swift、Fermi、MAXI などによる宇宙からのガンマ線・X 線観測と地上の望遠鏡の連携で行われているが、人工衛星も次第に寿命を迎えつつあり、次の 10 年間のためのガンマ線バースト観測衛星や国際宇宙ステーションへの搭載観測装置の計画も検討されている。

用語説明

ガンマ線バースト（GRB）

天空の一点から強烈なガンマ線が短時間降り注ぐ現象で、冷戦下に米国の核実験査察衛星によって発見された。現在では数億光年以上離れた遠方で発生する宇宙最大の爆発現象であることがわかっており、継続時間によって２つの種族に分類される。発生した日付にもとづき名付けられ、「GRB 130427A」は2013年4月27日の最初の発見という意味。

全天 X 線監視装置（Monitor of All-sky X-ray Image: MAXI）

JAXA と理研によって共同開発された全天 X 線監視装置。2009 年に国際宇宙ステーション（ISS）「きぼう」日本実験棟の船外プラットフォームに設置され、この種の装置としてはこれまでで最大の感度を持つ。MAXI は広大な視野を持ち、ISS が地球の周りを約 92 分の周期で回っていることを利用して自動的に繰り返し全天を撮影している。この両機関と東工大、阪大、青山学院大、日大、京大、中央大、宮崎大、名大の研究者からなる MAXI 研究チームによってブラックホールなどの観測研究が進められている。

MITSuME 望遠鏡 3 色カメラ

山梨県北杜市（東京大学宇宙線研究所明野観測所）と岡山県浅口市（国立天文台岡山天体物理観測所）に設置された MITSuME（三つ目）望遠鏡（口径 50cm）はガンマ線バースト残光の自動観測を主目的とするロボット光学望遠鏡であり、専用に開発された 3 色カメラを備える。3 色同時に撮像することにより、遠方宇宙からのガンマ線バーストを識別できる。この 3 色カメラは石垣島天文台むりかぶし望遠鏡（口径 105cm）にも取り付けられ、協力して観測を実施している。MITSuME 望遠鏡および 3 色カメラは、文部科学省科学研究費補助金によって製作・設置され、文部科学省 光・赤外線天文学研究教育大学間連携事業の補助を受けて運営されている。

フェルミ宇宙ガンマ線望遠鏡衛星（Fermi 衛星）

米日伊仏瑞独 6 カ国の共同開発による大型の高エネルギーガンマ線天文衛星で 2008 年に打ち上げられた。Fermi 日本チームには、広島大、東京大、東工大、JAXA、名古屋大、早稲田大、茨城大、京大、青山学院大、立教大、山形大の研究者が参加している。

電子ボルト

主に素粒子に用いられるエネルギーの単位。1 電子ボルトは 2612 京分の 1 カロリー。例えば可視光の光子一つのエネルギーは 2 電子ボルト前後である。エネルギーがおよそ 100 電子ボルト以上の「光」（電磁波）を X 線、さらにエネルギーが高いもの（およそ 10 万電子ボルト以上）をガンマ線と呼ぶ。

相対論的極限状態

極限まで重力が強い状態。アインシュタインの一般相対性理論は太陽や地球などの弱い重力場では観測によって検証されているが、他の重力理論との差が顕著となる強い重力場での検証にはブラックホールなど極限まで強い重力場を持つ天体の観測が必要となる。

Swift 衛星

スウィフト衛星は米英伊が中心となって 2004 年に打ち上げたガンマ線バースト観測衛星。広い天域を常に監視し、検出したガンマ線バーストの正確な位置を直ちに地上に伝えるとともに自分自身で継続して追跡観測する。Swift 科学チームに日本から青山学院大、JAXA、埼玉大、東京大、東工大の研究者が参加している。

光度曲線の折れ曲がり

ガンマ線バーストの残光は、光速に近い速さで運動しているジェットから進行方向前方の狭い角度だけに放射される。この角度がジェット自体の広がり角より大きくなる時点で減光が急になり光度曲線が折れ曲がる。この折れ曲がりの時期からジェットの開き角がわかり、ガンマ線バーストの全エネルギーを推定できるようになる。

問い合わせ先

原論文情報

GRB 130427A: a Nearby Ordinary Monster Maselli et al. Science Vol. 342, #6161
日本人の共著者は
東工大：河合誠之（理研客員主幹研究員を併任）、斎藤嘉彦、谷津陽一、吉井健敏
理研：鈴木（芹野）素子
国立天文台：黒田大介、花山秀和、青山学院大学：坂本貴紀

ウェブページ

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