人類が宇宙を測れるようにしたランプを灯したものは何だったのか

毎年、約1,000個のIa型超新星が空で爆発します。これらの恒星の爆発は、非常に再現性の高いパターンで明るくなったり暗くなったりするため、「標準光源」として用いられます。標準光源とは、非常に均一に明るく、天文学者がその外観からその天体までの距離を推定できる天体のことです。

私たちの宇宙に対する理解は、これらの標準光源に基づいています。宇宙論における最大の謎を二つ考えてみましょう。宇宙の膨張率はどれくらいでしょうか？そして、なぜその膨張率は加速しているのでしょうか？この二つの謎を解明するための努力は、Ia型超新星を用いた距離測定に大きく依存しています。

しかし、研究者たちは、これらの奇妙に均一な爆発の引き金となる現象が何なのかを完全には解明しておらず、理論家たちを悩ませている不確実性がある。もし爆発が複数の方法で起こり得るとすれば、その現れ方のわずかな矛盾が、私たちの宇宙観測に悪影響を及ぼす可能性がある。

過去10年間、Ia型超新星爆発の原因に関する特定の説、すなわち、それぞれの爆発を白色矮星と呼ばれる2つの暗い恒星に起因するとする説が支持を集めてきました。そして今、研究者たちは初めて、二重白色矮星シナリオのコンピューターシミュレーションにおいてIa型爆発の再現に成功し、この説に決定的な後押しを与えました。しかし、シミュレーションはいくつかの驚くべき結果ももたらし、宇宙で最も重要な爆発のいくつかを引き起こすエンジンについて、私たちがまだどれほど多くのことを学ばなければならないかを明らかにしました。

ドワーフを爆発させる

天体が標準光源となるためには、天文学者はその固有の明るさ、つまり光度を知る必要があります。そして、その明るさと、天空でその天体がどれくらい明るく（あるいは暗く）見えるかを比較することで、その天体までの距離を算出します。

1993年、天文学者のマーク・フィリップスは、Ia型超新星の光度が時間とともにどのように変化するかをプロットしました。重要なのは、ほぼすべてのIa型超新星がこの曲線、いわゆる「フィリップスの関係」に従うことです。この一貫性と、数十億光年離れた場所からでも観測可能なこれらの爆発の極めて高い光度により、Ia型超新星は天文学者にとって最も強力な標準光源となっています。しかし、なぜこれほど一貫性が保たれているのでしょうか？

ヒントは、意外な元素ニッケルから得られる。Ia型超新星が空に現れると、天文学者たちは放射性ニッケル56が​​大量に噴出するのを観測する。そして、ニッケル56は白色矮星から発生することが分かっている。白色矮星とは、地球サイズの高密度な炭素と酸素の核だけを残し、ヘリウムの層に覆われた、薄暗い消滅した恒星だ。しかし、これらの白色矮星は不活性だが、超新星は全く不活性ではない。問題は、ある状態から別の状態へどのように変化するかだ。「『どうやってこれを実現するのか？』という明確な答えはまだない」と、カリフォルニア州サンタバーバラにあるカブリ理論物理学研究所の所長で、Ia型超新星を専門とする天体物理学者ラース・ビルドステン氏は語る。「どうやって爆発させるのか？」

約10年前までは、白色矮星は近くの恒星からガスを吸い上げ、臨界質量に達するまでその中心核が高温高密度化し、暴走核反応を引き起こして超新星爆発を起こすという説が主流でした。

そして2011年、この説は覆されました。数十年ぶりに発見されたIa型恒星の中で最も近いSN 2011feは、爆発初期に発見されたため、天文学者たちは伴星を探す機会を得ました。しかし、伴星は発見されませんでした。

研究者たちは、新たな理論、いわゆるD6シナリオに注目した。これは、カリフォルニア大学バークレー校の天体物理学者ケン・シェン氏が考案した「dynamically driven double-degenerate double detonation（動的駆動二重縮退二重爆発）」という早口言葉の頭文字をとったものだ。D6シナリオでは、白色矮星が別の白色矮星を捕らえてヘリウムを奪い取るという説が提唱されている。この過程で大量の熱が放出され、最初の矮星のヘリウム殻で核融合反応が引き起こされる。融合したヘリウムは矮星の中心核の奥深くまで衝撃波を送り込み、爆発を引き起こす。

しかし、これは本当に起こることなのでしょうか?

シェンはそれを確かめる方法を思いついた。二つの白色矮星が互いの周りを回転していて、片方が超新星爆発を起こしたら、もう片方をつなぎとめるものが何も残らない。まるで投げ縄が突然放たれたかのように、もう片方は「超高速」の白色矮星として飛び去るはずだ。

D6理論が正しければ、超高速白色矮星は広く存在するはずだ。もし間違っていれば、存在しないはずだ。

このシナリオを検証する機会が訪れたのは2018年、欧州宇宙機関（ESA）のガイア宇宙望遠鏡が天の川銀河の天体の膨大な新データを公開した時だった。公開当日、シェン氏と彼のチームは徹夜でデータを分析した。彼らは高速で移動する白色矮星を3つ発見した。数は多くなく、全くないわけでもない。これは憂慮すべき事態だった。

超新星のシミュレーション

この頃、複数のチームが D6 仮説を検証するためのコンピューター シミュレーションに取り組み始めました。

シェン氏らは2021年、D6爆発後の状況を再現したシミュレーションを発表した。放射性ニッケル56の原子核は新たな粒子に崩壊し、超新星の周囲で数ヶ月間崩壊と相互作用を繰り返す。（地球上のマンガン、ニッケル、コバルトのほとんど、そして鉄の大部分は、おそらくこのような反応によって生成されたと考えられる。）この混乱を再現するため、シェン氏らは数学を簡略化した。超新星が完全に球形であると仮定し、中心から外側に向かって放射状に伸びる一本の線に沿って物理現象をシミュレートした。

驚くべきことに、この「一次元」シミュレーションは正しい光度曲線を導き出しました。「まさかこんなことになるとは思いもしませんでした」とビルドステン氏は驚嘆しました。「彼らは超新星をフィリップスの関係に当てはめることができることを示し、非常に興奮しています。」

しかし、そもそも爆発が起こり得るのかどうかを検証するために、他の 2 つのグループが、D6 シナリオの 3 次元での高度なスーパーコンピューター シミュレーションの開発に取り組んでいました。

これらの研究チームの一つは最近、D6シナリオが実際に超新星爆発を引き起こす可能性があることを示しました。ドイツ、ガルヒンクにあるマックス・プランク天体物理学研究所のルーディガー・パクモア率いる研究者たちは、厚いヘリウム外層を持つ主白色矮星のシミュレーションを行いました。主星が伴星からさらに多くのヘリウムを吸い込むと、外層が発火しました。爆発は白色矮星の周りを素早く移動し、核の奥深くに衝撃波を送り込み、炭素と酸素を爆発させました。

しかし、パクモア氏のシミュレーションは奇妙な結果も生み出した。主星である白色矮星を伝わる衝撃波が、伴星である矮星に激突し、その星でも超新星爆発を引き起こすほどの激しさを放つことがあったのだ。これは、伴星の質量が太陽の70%未満（白色矮星ではよくあるケース）のときにシミュレーションで発生した。

もし2つの白色矮星が同時に超新星爆発を起こすことがよくあるとすれば、超高速白色矮星があまり観測されない理由を説明できるかもしれない。しかし、天文学者たちはパクモアの二重超新星シミュレーションのニュースを慎重に受け止めている。「実際に起こるとは確信していませんが、非常に興味深い可能性ではあります」とシェン氏は述べた。

マサチューセッツ大学ダートマス校のロバート・フィッシャー率いる別のチームは、パクモアよりも薄いヘリウム層を用いた。彼らのシミュレーションでは、ヘリウムの点火が矮星の周囲をよりゆっくりと移動し、その結果生じた衝撃波が炭素・酸素核に対して中心からずれた一点に収束することが示された。その結果、核はIa型超新星爆発に至らなかった。

両グループとも矛盾する結果に困惑している。パクモア氏のチームはフィッシャー氏のような薄いヘリウム層を試したが、それでも彼らの系は超新星爆発を起こしたことが判明した。

これらのシミュレーションにおける課題の一つは、ヘリウムの厚さやその他の条件が推測に過ぎないことです。また、恒星サイズの天体をシミュレートするために、シミュレーションでは空間をキロメートル単位の粗い塊に分割しています。しかし、爆発を引き起こす熱の集中はセンチメートル単位のスケールで起こります。科学者たちは、これらの異なるスケール間の相互作用をどのように捉えるかを慎重に検討する必要があります。

今のところ、Ia型超新星の起源については未だ結論が出ていません。矛盾が解消されるまでは、両チームともD6シナリオが全ての超新星、あるいは大部分の超新星の原因であると結論付けることには躊躇しています。それでも、スーパーコンピューターでついに1つの爆発が観測されたことは明るい前進でしたが、2つの爆発が観測されたことは驚きでした。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。