HETEで何が分かったの?

• ガンマ線バーストの正体は大質量星の爆発だった!
• 可視光残光を伴わないバーストって本当にあるの?
• "ガンマ"線バーストなのに、"X線"で明るいガンマ線バースト?

HETE が 2003年 3月 29日にとらえたガンマ線バーストにより、初めて ガンマ線バーストが大質量星の爆発 であるという観測的な証拠が得られました。 ガンマ線バーストの正体にせまれた観測はこれが初めてです。

GRB030329 は世界時 2003年3月29日 11時 37分 14.7秒 に HETE 衛星によって 観測されました。このガンマ線バーストは非常に明るく、HETE が捉えた バーストの中ではもちろん No.1 ですが、今まで観測されたガンマ線バースト と比較してもトップ 1% に入るバーストです。HETEに搭載されている 3つの 検出器、全てで観測しました。軟X線カメラ (SXC) により 2分角の精度で決まったバーストの座標がバースト発生後 73 分後に世界中の研究者に速報されました。

HETE が観測した GRB030329 の光度曲線 (横軸はバースト発生からの時間を秒で、 縦軸はそれぞれのエネルギー帯での強度)。バースト本体は大きな 2山構造をしている。

迅速で、かつ高精度な位置速報に成功したため、可視光、X線や電波での残光を 立て続けに発見できました。また、我々にとってラッキーだったのは、 日本の夜にバーストが起こったため、早期での可視光残光観測が行えたのは 日本のグループだったという事です (理化学研究所、東工大や京大)。その 初期残光はなんと 13等級という明るさでした!!

理化学研究所(埼玉県和光市)の研究本館 屋上の自動応答望遠鏡で鳥居研一研究員 (現在は大阪大学助手) が撮影した GRB030329 の残光 (Torii et al. ApJ, 597, L101 (2003))

東工大 (東京都目黒区) 1号館屋上の口径 30cm の自動望遠鏡で大学院生の佐藤理江さんが 撮影した GRB030329 の残光 (Sato et al. ApJ, 599, L9 (2003))

また、バーストまでの距離が測られ、距離は約18億光年 (赤方偏移 0.168) でした。今まで 距離が測定されたガンマ線バーストで、2番目に近いものでした。近くで起こったバーストで あったため、詳細な追観測を行う事ができ、次に述べる大発見へと結びつきました。

ヨーロッパの研究者がこのバーストの残光を南米 チリにある Very Large Telescope (VLT) を用いて、分光観測を行いました。このグループは 6回の分光観測を 1ヶ月にもわたり 行いました。下の図がその結果です。4月3日頃 (黄色) に取られたスペクトルはガンマ線バースト の残光で見られる典型的な形 (構造のない、ノッペリとしたスペクトル) をしています。 しかし、日にちがたつにつれて、構造をもったスペクトルが現われ ている事が分かります。 この構造を持ったスペクトルは水素やヘリウムの外層失ってしまった 星が最後に起こす大爆発 (Ic 型超新星爆発) と一致します。つまり、 ガンマ線バーストの 残光から初めて、超新星爆発との関連を示す確実な証拠を得ました。ガンマ線バーストの中心天体 に関する長年の謎がついに解けたのです!!

VLT で取得された GRB030329 残光のスペクトル変化 (Hjorth et al., Nature, 423, 847 (2003))

可視光残光を伴わないバーストって本当にあるの?

ガンマ線バーストの残光を発見した BeppoSAX 衛星の観測によると、 約 90% のバーストでX線での残光が発見されたのに対して、約 50% のバーストにしか、可視光での残光が見つ かっていません。このように可視光で残光が見つからなかったガンマ線バーストを Optical dark GRB (日本語でなんと言えばいいやら) と呼んでいます。X線での残光は伴うのに、 可視光では伴わないガンマ線バーストとはどういうものなのでしょうか。

HETE は、この Optical dark GRB についてのひとつの可能性を示しました。そのきっかけと なったバーストは 2002年12月11日に起こったイベント (GRB021211) です。 下図がバースト本体の光度曲線 です。このバーストは典型的なガンマ線バーストよりも放射エネルギーが低いものでした (エネルギーの低いガンマ線バーストに関しては次の節で説明します)。

HETE が観測した GRB021211 の様々なエネルギー帯での光度曲線。

GRB021211 はバースト発生 22秒後、14分角の精度で位置の速報に成功 しました。 可視光での残光観測に、アメリカ ロスアラモス国立研究所のロボット望遠鏡 RAPTOR が、なんと バースト発生 90秒後に成功しました。不思議なことに、 GRB021211 の可視光残光は典型的なガンマ線バーストの可視光残光よりも 急激な減光を 示し、かつ全体的に暗いものでした (下図)。つまり、HETE による迅速で、かつ正確な 位置速報がなければ、このバーストは Optical dark GRB となっていた事でしょう。間違いない!!

太い線 (ぬりつぶしたマーク) で書かれたものが GRB021211の可視光残光の光度曲線。 それ以外のものが他のバーストの可視光残光の光度曲線。ガンマ線バーストの残光探査に 使われる望遠鏡の典型的な限界等級が 18-20等級位であるため、バースト発生 2.4 時間後 (0.1 日後) に観測を開始していたら、GRB021211 の残光は発見できなかった であろう (GRB021211 の残光は図から 0.1 日後で 20等級位)。 (Fox et al. ApJ, 586, L5)

"ガンマ"線バーストなのに、"X線"で明るいガンマ線バースト?

ガンマ線バーストなのに、X線領域で明るいバーストというが今、にわかに 注目を集めています。これらのバーストは X線フラッシュとか、X-ray rich GRB (X線過剰ガンマ線バースト) などと呼ばれています。日本の3番目の X線天文衛星 ぎんがに搭載されていた、 ガンマ線バースト検出器 (GBD) で初めて詳細な研究がスタートし、BeppoSAX 衛星でも同様な 性質を示すバーストが報告されています。

下図が HETE で 2002 年 9月 3日に観測した X線フラッシュ (GRB020903) の光度曲線です。X線領域 である 2-10 keV 付近で放射が卓越している事が分かります (典型的なガンマ線バーストは 150 keV 付近で最も明るく輝きます)。銀河面から離れている事、光度曲線の形、そして、放射スペクトル などから、低質量X線連星でみられる X線バーストとは起源が異なっていると考えられます。

HETE が観測した GRB020903 の光度曲線。2-10 keV という X線領域でのみ 信号が見えています。10 keV 以上での放射は見られません。

GRB020903 での大きな発見は残光が見つかった事、 そして、母銀河の観測から距離が決まった事です。 カリフォルニア工科大学のグループはパロマー山にある 5 m の望遠鏡、さらには、ハッブル宇宙 望遠鏡も用いて残光の観測を行いました (なんと言う執念。頭が下がります;下図)。 バーストまでの距離としては、 赤方偏移 0.25 で、 典型的なガンマ線バーストの赤方偏移 1 と比べると比較的近いものでした (それでも十分遠方ですが)。 また、残光を伴っていたという事からガンマ線バーストと同じような機構で残光放射が作られている と考えられます。

パロマー山 5 m 望遠鏡での画像 (左図)。"HST/ASC" と左上に書かれているのが、 ハッブル宇宙望遠鏡の画像 "OT" と書かれている部分が GRB020903 の残光 (Soderberg et al., ApJ 投稿 (astro-ph/0311050))

また、HETE が捉えた数十例の X線フラッシュの性質を調べて見ますと、 典型的なガンマ線バーストとの類似点が多く見つかりました。違いは「X線で明るい」くらいです。 また、X線とガンマ線との強度比 の分布を作ってみると、X線フラッシュからガンマ線バーストまで単一の分布となります。 これらの観測結果は、X線フラッシュがガンマ線バーストと同一起源を持つ現象 である事を強く示唆して います。HETE による X線フラッシュの詳細な解析結果により、現在は、 X線フラッシュからガンマ線バーストまでを統一的に理解しようとする試みが主流です。

坂本 貴紀 (sakamoto@hp.phys.titech.ac.jp)