国立天文台(NAOJ)は4月10日、「ニュートリノ集団振動」を現象論的に取り扱う手法を採用することにより、集団振動を考慮した3次元超新星爆発シミュレーションを開発して計算した結果、物質の加熱に寄与する電子型反ニュートリノのエネルギーが従来の超新星モデルより大きくなるため、超新星の爆発エネルギーが従来の予言に比べて数倍から10倍ほど増大することを明らかにしたと発表した。

  • 今回の研究で開発された三次元超新星モデルの様子

    今回の研究で開発された三次元超新星モデルの様子。(左)集団振動が考慮されていないモデル。(右)集団振動が考慮に入れられたモデル(出所:NAOJ 科学研究部 Webサイト)

同成果は、NAOJ 科学研究部の森寛治研究員(日本学術振興会特別研究員)、同・滝脇知也准教授らの研究チームによるもの。詳細は、日本天文学会が刊行する学術誌「Publications of the Astronomical Society of Japan」に掲載された。

超新星爆発は、主に2種類存在する。1つは、連星系における白色矮星が伴星から質量を奪い、チャンドラセカール限界(太陽質量の約1.4倍)を超過することで核融合反応が暴走して発生するIa型だ。もう1つは、太陽のおよそ8倍以上の質量を持つ大質量星が、一生を終える際に迎える重力崩壊によるIb型(水素がない)、Ic型(水素とヘリウムがない)、II型(水素がある)である。

超新星爆発では、星の内部で核融合反応によって合成されたさまざまな元素を星間空間へと放出し、それが新たな星や惑星などの材料となる。さらに、超新星爆発の際に発生する強い衝撃波は周囲の星間ガスを圧縮し、新たな星の誕生を促すこともある。このように、超新星爆発は宇宙における物質の進化を大きく左右する、まさにエンジンともいえる存在だ。このことから、宇宙を構成する物質の起源をより深く理解するためには、超新星爆発のメカニズムを詳細に解明することが極めて重要と考えられている。

そんな超新星爆発は、生物の存在する惑星近傍で発生した場合、その惑星の生物を絶滅させるほどの極めて危険な破壊力を持つ。ビッグバン以降の宇宙における爆発現象としては、「ガンマ線バースト」に次ぐ強力さである(ガンマ線バーストは謎の多い現象だが、その一部はハイパーノバ(極超新星)に起因すると考えられている)。

超新星の爆発メカニズムにおいて、透過力の高い素粒子であるニュートリノが重要な役割を果たすことが知られている。ニュートリノは、電子・ミュー・タウの3種類のフレーバーを持ち、空間伝播宙に互いにフレーバーが変化する「ニュートリノ振動」という現象を示す。かつて質量がないと考えられていたニュートリノが振動していたことは、質量を持つことを示唆する極めて重要な発見であり、この功績によって東京大学の梶田隆章博士が2015年にノーベル物理学賞を受賞したことは広く知られている。

近年の理論的研究によれば、超新星内部のような極限的な高密度環境下では、ニュートリノ間の自己相互作用により、特異なニュートリノ振動、つまりニュートリノ集団振動が生じ、超新星爆発のメカニズムに大きな影響を及ぼす可能性が示唆されている。しかし、集団振動を第一原理的に取り扱う手法は計算負荷が過大であるため、それを考慮に入れた三次元超新星爆発シミュレーションはこれまで実現されていなかった。そのため、ニュートリノ振動を考慮しない従来の多次元超新星シミュレーションでは、観測される超新星爆発イベントと比較して爆発エネルギーが小さいという問題が指摘されていた。そこで研究チームは今回、ニュートリノ集団振動を現象論的に取り扱う手法を採用し、集団振動を考慮に入れた三次元超新星爆発シミュレーションを開発したという。

開発されたニュートリノ集団振動を扱う三次元超新星爆発シミュレーションを用いた計算の結果、物質加熱に寄与する電子型反ニュートリノのエネルギーが従来の超新星モデルと比較して増大し、超新星爆発のエネルギーが従来の予測と比べて数倍から10倍程度まで増加することが示された。

今回の研究成果により、超新星物理学における長年の懸案事項だった「爆発エネルギー不足問題」が、ニュートリノ振動により解決される可能性が示唆された。研究チームは今後、ニュートリノ振動をより精密に取り扱う手法を追求するのと同時に、多様な親星モデルや星の自転などを考慮に入れたシミュレーションを実行し、超新星爆発のメカニズムに対するニュートリノ振動の影響の全容解明を目指すとしている。