新星爆発に伴うプラズマ拡散を初観測

星で起きる爆発現象で新しい観測が加わった。新星爆発の衝撃波で加熱された高温プラズマが宇宙で拡散する様子を、理化学研究所放射光科学総合研究センターの武井大(たけい だい)研究員らが初めて捉えた。星の一生をたどる新しい手がかりになりそうだ。米ハーバード・スミソニアン天体物理学センターと米航空宇宙局(NASA)ゴダード宇宙飛行センター、立教大学、宇宙航空研究開発機構(JAXA)との共同研究で、3月10日付の米科学誌The Astrophysical Journalオンライン版に発表した。

ある星はその一生の成熟過程で新星と呼ばれる核爆発を繰り返す。表面のガスを数十年から数万年程度の周期で吹き飛ばし、ためたストレスを定期的に発散させる。爆発の際の爆風が強い衝撃波を作れば、周りのガスをプラズマになるまで加熱しながら拡散する。その際、プラズマはX線を放射する。加熱された高温プラズマが拡散する様子は、爆発の仕組みや宇宙の歴史を解く重要な鍵となるが、新星の爆風が広がる様子を示す明確な証拠がこれまでなかった。新星は規模が小さいため、観測が難しかったからだ。

新星は、われわれの天の川銀河でも年に数回以上という高い頻度で発見される。星が一生を終える時に大爆発する超新星に比べると小型の爆発だ。天文学では、星が新星爆発を繰り返しながら、最後には壮大な超新星爆発に至るのかという大きな謎も残されている。新星のX線写真から、衝撃波で加熱される高温プラズマが広がる様子を観測できれば、理論と比較して爆発の全体像がつかめると予想されていた。

武井大さんらは、1901年に新星爆発を起こし、ガスの残骸が可視光望遠鏡で最も大きく観測されているペルセウス座GKに着目した。ペルセウス座GKは、2000年2月に米国のチャンドラX線観測衛星(1999年打ち上げ)に搭載されたX線望遠鏡で撮影された写真に、衝撃波で過熱された高温プラズマの痕跡が検出されていた。研究グループは14年後の2013年11月に同望遠鏡で2回目の観測をして、高温プラズマが広がる様子をついに捉えた。

2000年に撮影された写真と比較した結果、X線の放射領域が14年間で0.01光年(約900億km)ほど広がっていることがわかった。爆風の速度は秒速300 km程度と推定できた。プラズマの温度は約100万度で、14年の間に顕著な変化は見られず、飛び散ったガスにはネオンの元素が比較的多く含まれていることも見いだした。

さらにX線の明るさを見ると、14年間を経て明るさが60～70%になっていた。これは、衝撃波で過熱された高温プラズマが拡散して14年の間に密度が薄くなった可能性を示した。また、観測から求めた温度や密度、爆風の速度、爆発のタイムスケールなどを理論と照らし合わせ、爆発全体のエネルギーや飛び散ったガスの全体量を見積もり、太陽質量の5千分の1程度のガスが現時点で飛び散っていると算出した。

武井大さんは「新星は、星の運命を決める重要な現象のひとつであり、その解明が進むことには大きな意義がある。われわれは、世界最高の望遠鏡を駆使して、ようやくひとつの観測例を手に入れることができた。他の新星でも同じような測定を行える可能性を探り、世界中の人工衛星や地上望遠鏡を使用して天体観測に挑んでいきたい」と話している。