GRB 221009A

GRB 221009A
フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡が捉えたGRB 221009Aの10時間タイムラプス
イベントの種類ガンマ線バースト
日付約19億年前 （2022年10月9日検出）
間隔10分
楽器スウィフトとフェルミのガンマ線宇宙望遠鏡
星座サジッタ
赤経19時間13分3.48秒
赤緯+19° 46′ 24.6″
距離約24億光年
赤方偏移0.151
その他の指定スイフト J1913.1+1946
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[ウィキデータで編集]

GRB 221009Aは、2022年10月9日にニール・ゲーレルス・スウィフト天文台とフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡によって共同で発見された、非常に明るく非常にエネルギーの強いガンマ線バースト（GRB）である。ガンマ線バーストは10分間続いたが[ 1 ]、最初の検出後10時間以上にわたって検出可能であった[ 2 ] 。 [ 3 ]約24億光年離れているにもかかわらず、地球の大気に影響を及ぼすほど強力であり、地球上で記録されたガンマ線バーストの中で最も強い影響を及ぼした。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] GRB 221009Aのピーク光度は、Konus-Windによって約2.1 × 10 47 W、Fermi Gamma-ray Burst Monitorによって1.024秒間隔で約1.0 × 10 47 Wと測定されました。 [ 8 ] 221009Aのようにエネルギーが高く、地球に最も近いバーストは、1万年に一度の出来事であると考えられています。[ 9 ] [ 8 ]これは、これまでに記録されたガンマ線バーストの中で最も明るく、最もエネルギーが高かったため、BOAT（史上最も明るい）と呼ばれています。[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

キャラクター設定

GRB 221009Aはやぎ座からやってきて、推定19億年前に発生したが[ 13 ] 、その発生源は地球への飛行時間中に宇宙が膨張したため、現在地球から24億光年離れている。 [ 14 ]このバーストの高強度放射は、電波放射からガンマ線まで、電磁スペクトル上で15桁に及んだ。最初のバーストを引き起こした何らかのプロセスの終息によって発信された無線信号は、今後何年も残る可能性が高い。[ 15 ]この広帯域放射は、通常は一瞬で消えるGRBを詳細に研究する稀な機会を提供する。[ 13 ] [ 15 ]

観察

このバーストはフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡の検出器を飽和させ、[ 16 ] 100 GeVを超えるエネルギーのガンマ線光子を捉えた。 [ 17 ] GRB 221009Aは、これまで科学機器によって目撃された超高エネルギー（ VHE ）光子の最も生産性の高いイベントである。GRB 221009A以前には、GRB天文学の全歴史を通じて検出された超高エネルギー光子の数は数百に過ぎなかった。このバーストは、初期にGRBからの超高エネルギー（VHE）光子放出が初めて検出された例でもある。[ 18 ]バーストの放射が地球に到達したとき、大型高高度空気シャワー観測所（LHAASO）だけで5,000を超えるそのようなVHE光子を観測した。これらの光子の一部は18 TeVという記録的なエネルギーを携えて地球に到達したが、[ 19 ] [ 20 ]これは欧州原子核研究センター（CERN ）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で生成できるエネルギーを超えている。[ 21 ] [ 11 ]ロシアのバクサン・ニュートリノ観測所のカーペット2施設でも、このバーストから251 TeVの光子が1個記録された可能性がある。[ 16 ]検出されたエネルギーは、最大1 TeVのエネルギーを持つGRB 190114C [ 22 ]や最大3.3 TeVのエネルギーを持つGRB 190829A [ 23 ]をはるかに上回り、 221009Aは今のところ10 TeVを超える光子を持つ最初で唯一のGRBである。[ 24 ] [ 25 ]このバーストはおそらく初めて超高エネルギー宇宙線の加速の特徴を示しており、 [ 26 ] [ 27 ]ある研究では、宇宙線がバーストによって加速されていた場合、おそらく1 ZeV（10の21乗電子ボルト）以上のエネルギーに達していただろうと推定しており、[ 28 ]これは、これまで観測された中で最もエネルギーの高い宇宙線であるオーマイゴッド粒子よりもほぼ1桁もエネルギーが強い。

GRB 221009Aはその後、中性子星内部組成探査機（NICER）[ 13 ] 、全天X線画像監視衛星（MAXI）、撮像X線偏光測定衛星（IXPE）[ 29 ] [ 30 ] [ 7 ]、国際ガンマ線天体物理学研究所（INTEGRAL）、XMMニュートン宇宙望遠鏡[ 31 ] 、大型高高度空気シャワー観測衛星（LHASSO）[ 32 ] [ 33 ]など多くの衛星によって観測された。[ 21 ] [ 34 ]

起源

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による観測により、GRB 221009Aは超新星爆発を起こした大質量星によって引き起こされたことが確認された。[ 35 ]この超新星はIc型超新星で、 GRBと関連付けられた最初の超新星 SN 1998bwに類似している。

インドとドイツの雷検出器は、地球の電離層がバーストによって数時間にわたってわずかに乱されたという兆候を捉えた。[ 36 ] [ 16 ] [ 4 ]また、大量の荷電粒子が流入したことも確認され、[ 37 ]その威力の大きさが示された。[ 38 ] [ 11 ]さらに、多くの研究で、このガンマ線バーストの相対論的ジェットは異常な構造をしていると説明されている。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

記録的な規模

この図は、GRB 221009A の即時放射を、これまでの記録保持者である 4 つの長時間ガンマ線バーストの即時放射と比較したものです。

一部の天文学者はこのバーストを「史上最も明るい」バースト、あるいはその頭文字をとって「BOAT」と呼んだ。[ 16 ] [ 42 ]リバプール・ジョン・ムーア大学天体物理学研究所の天体物理学者ダン・パーリーは、「人類の経験の中で、これほどのエネルギーの噴出に少しでも匹敵するものはない。何もない」と述べた。[ 43 ]ルイジアナ州立大学の天文学者エリック・バーンズも、このバーストのエネルギーについて、「この現象のエネルギーは非常に強大で、たとえ太陽全体を純粋なエネルギーに変換したとしても、この現象には及ばないだろう。全く匹敵するものがない」と述べた。[ 44 ]ガンマ線バーストの威力は、放出されるガンマ線と深宇宙に遍在する星間塵の帯との相互作用の度合いで測ることができる。このような相互作用により、X線周波数の残光が生成され、これは通常、ガンマ線バーストを中心にした散乱X線の同心円状のリングとして見られます。GRB 221009Aは、これらのリングを生成したことが知られている7番目のガンマ線バーストです。[ 9 ]また、2023年3月の時点で、バーストの周囲には記録的な20のX線残光リングが確認されており、これは以前の記録の3倍です。[ 45 ] [ 9 ] GRB 221009Aの残光は、 GRB 030329の記録を破り、これまでに記録された中で最も明るいものでした。[ 46 ]このバーストは、これまでに記録された中で最も明るいX線残光でもあり、[ 40 ] X線残光は典型的なGRBの約1000倍の明るさでした。[ 38 ]また、消光補正後、これまでに記録された中で最も明るいUVOT残光でした。[ 46 ]このバーストはTeV領域で記録された最大のエネルギー量を持ち、[ 47 ]また、18TeVでピークに達し、GRBで記録された中で最もエネルギーの高い光子を放出した。[ 24 ] [ 19 ]また、GRBの方向とタイミングと一致し、推定一次エネルギーが300TeVの空気シャワーも特定され、GRBに関連する最高エネルギーのイベントとなった。[ 48 ] [ 49 ]このバーストは、Swiftミッションで検出されたこれまでのどのGRBよりも10倍明るかった。[ 50これはKONUS-Windによって検出された最も明るく、最も強度の高い GRB であった。 [ 1 ]このバーストの即時放出はそれ以前のものをはるかに上回り、過去 4 件の GRB 記録をはるかに超えたものであった。これは、1 秒あたり 50 万個を超えるガンマ線光子を放出した GRB は記録されていなかったが、この GRB は 1 秒あたり 600 万個を超える光子を放出したためである。 [ 51 ]このバーストは非常に明るかったため、宇宙にあるほとんどのガンマ線機器が盲目になり、その強度を正確に記録することができなかった。 [ 9 ] [ 52 ]このバーストは、ボイジャー 1 号や 2 機の火星探査機など、ガンマ線バーストを検出するように設計されていない衛星によっても検出された。 [ 7 ] GRB 221009Aは、即発段階後1週間以上にわたりマルチTeVガンマ線を生成した可能性があり、この特徴はGRB 221009Aに特有であり、 [ 53 ]即発段階後10時間にわたりマルチTeVガンマ線を生成したGRB 180720Bや、即発段階後ほぼ3日間にわたりマルチTeVガンマ線を生成したGRB 190829Aなどの他のバーストと比較してはるかに長い。 [ 54 ]

地球から約20億光年離れているにもかかわらず、このバーストは地球の大気に影響を及ぼすほど強力で、地球上で記録されたガンマ線バーストとしては史上最強の影響を及ぼした。[ 4 ]このバーストは、通常太陽フレアの研究に使われる機器を作動させ、ESAの太陽物理学者ローラ・ヘイズ氏は、近くの太陽から「大規模な太陽フレアに匹敵する痕跡」を残したと述べている。[ 55 ]つまり、このバーストは100兆倍以上近い太陽フレアと同じ影響を及ぼしたということであり、[ 7 ] VLF振幅の増加に基づくと、このバーストはC3からM1クラスの太陽フレアに相当する。[ 4 ]また、太陽放射が支配的でない夜間の電離層では外部擾乱に非常に敏感であるのに対し、太陽放射が支配的な日中の観測ではバーストが検知できたことも重要であり、このことからバーストの大きさがわかる。[ 4 ]また、長波無線通信も妨害された。[ 56 ]

GRB 221009Aは、放射等方エネルギーが約1.2×10 55 erg [ 8 ]または3×10 55 erg [ 57 ]から最大1.4×10 57 erg [ 58 ]と、1.5×10 53のAT 2021lwx、10 61 ergのMS 0735.6+7421イベント、5×10 61 ergのへびつかい座超銀河団の噴火などのイベントとともに、史上最もエネルギーの高いイベントの一つです。しかし、AT 2021lwxは3年間にわたって発生し、噴火は数百万年にわたって発生する高エネルギー低出力イベントでした。一方、GRB 221009Aは、比較すると非常に短い期間で発生しました。[ 59 ]連星系駆動型超新星モデルでは、バーストの等方性総量が真のエネルギー総量となる。[ 12 ]物理学者で作家のドン・リンカーンはこれを「人類がこれまでに見た最大の宇宙爆発」と表現した。[ 11 ]

ペア消滅の可能性

GRB 221009A のスペクトル。2 つの区間にピークがあり、おそらく対消滅によって赤色で表示されています。

フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡のデータの再解析により、バースト検出から5分後、機器の飽和効果が消失するほどに減光した後、6.2σの有意性で輝線が検出された。この信号は少なくとも40秒間持続し、エネルギー約12MeV、光度約0.43×10 50 erg/sのピークに達した。これは、相対論的ジェットの強いエネルギー（それ自体が超光速ジェットのように見える場合もある）により、通常低エネルギーの場合に生じるはずの0.511MeVから青方偏移した電子-陽電子消滅によるものと解釈されている。[ 60 ] [ 61 ]

新しい物理学との関連性

異なる観測所で収集されたデータの比較を通じて、科学者たちは、221009Aイベントは以前の記録保持者よりも50から70倍明るく、エネルギーもはるかに大きいという結論を下しました。[ 34 ] [ 9 ] [ 41 ] [ 10 ]非常に明るいピークと長い残光は、物理学者が、100 GeVを超えるエネルギーを持つガンマ線光子を生成できる唯一の既知の領域である相対論的速度で物質が相互作用する方法を研究するのに役立つ可能性があります。[ 13 ] GRB 221009Aにより、科学者は特定の量子重力理論で提案されたローレンツ不変性の違反に対して厳しい制限を課すことができました。[ 62 ] [ 63 ] 221009Aや同様の極端なイベントの研究は、現在のところ、人工的に生成できるものよりも大きなエネルギーを持つ粒子に人類がアクセスできる唯一の方法です。 221009Aの詳細な調査によって、標準モデルでは予測も説明もされていない物理的な説明が得られるかもしれない。[ 16 ]これは歴史上最も研究されたガンマ線バーストとなった。[ 64 ]

  • GRB221009Aは、チリのジェミニ・サウスからほぼ同時に観測されました。この画像は、2022年10月14日（金）の朝に2台の観測機器で撮影された、I、J、H、Kの4枚の露出画像を組み合わせたものです。
    GRB221009Aは、チリのジェミニ・サウスからほぼ同時に観測されました。この画像は、2022年10月14日（金）の朝に2台の観測機器で撮影された、I、J、H、Kの4枚の露出画像を組み合わせたものです。[ 65 ]
  • スウィフトが撮影したGRB 221009AのX線画像には、ガンマ線バーストの周囲に円形のリングが写っている。天の川銀河の塵がガンマ線バーストのX線放射を散乱させ、リングを形成したと考えられる[29]。
    スウィフトが撮影したGRB 221009AのX線画像には、ガンマ線バーストの周囲に円形のリングが写っている。天の川銀河の塵がガンマ線バーストのX線放射を散乱させ、リングを形成したのだ。[ 66 ]
  • NASAのニール・ゲーレルス・スウィフト天文台に搭載されたX線望遠鏡が12日間かけて撮影した画像のタイムラプス。天の川銀河の塵が地球に向かって光を散乱させることで、リングが現れる。
    NASAのニール・ゲーレルス・スウィフト天文台に搭載されたX線望遠鏡が12日間かけて撮影した画像のタイムラプス。天の川銀河の塵が地球に向かって光を散乱させ、リングが現れる。
  • Webb の NIRCam によって観測された近赤外線残光とホスト。
    Webb のNIRCamで観測された近赤外線残光とホスト。
  • 近赤外線残光と母銀河。比較のために、ウェッブが撮影した2番目に明るいガンマ線バーストGRB 230307A。
    近赤外線残光と母銀河。比較のために、ウェッブが撮影した2番目に明るいガンマ線バーストGRB 230307A 。

参照

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