中性子星の合体

中性子星が合体して重力波を発生させ、キロノバを引き起こす様子を描いた想像図
中性子星が合体して重力波を発生させ、キロノバを引き起こす様子を描いた想像図

中性子星の合体は、中性子星同士の衝突である。2つの中性子星が互いの軌道に入ると、重力放射線として放出されるエネルギーの損失により、徐々に内側に螺旋状に沈み込む。[ 1 ]最終的に2つの中性子星が出会うと、合体によってより質量の大きい中性子星が形成されるか、残骸の質量がトールマン・オッペンハイマー・フォルコフ限界を超えた場合はブラックホールが形成される。この合体により、わずか1～2ミリ秒で地球の磁場の何兆倍もの強さの磁場が発生することがある。[ 2 ]この直後の出来事によって、数億光年、あるいは数十億光年先まで見える短時間ガンマ線バースト（sGRB）が発生する。[ 3 ]

中性子星の合体は、瞬間的に中性子束が非常に高い環境を作り出し、r過程が起こり得る。この反応は、鉄より重い元素の同位体の約半分の元素合成を説明する。 [ 4 ]

合体によりキロノバも生成される。[ 5 ]キロノバは、合体過程で生成され放出される重いr過程核の放射性崩壊による等方性で長波の電磁放射の一時的な発生源である。 [ 6 ]キロノバは、1998年に反応が最初に提案されて以来、r過程の可能性のある場所として議論されてきたが、 [ 7 ] 2017年にマルチメッセンジャーイベントGW170817が観測されてから、そのメカニズムは広く受け入れられるようになった。

観察された合併

2017年8月17日： 2つの中性子星の合体から重力波（GW170817 ）が検出されました（動画00:23、アーティストによる概念図）

2017年8月17日、LIGOとVirgo干渉計が、約1億4000万光年離れたうみへび座の楕円銀河NGC 4993にある連星中性子星（BNS）系の合体に伴う重力波GW170817を観測した。[ 8 ] [ 9 ] GW170817は、重力波合体信号の1.7秒後に初めて検出された短い（約2秒間）ガンマ線バーストGRB 170817Aと、その11時間後に初めて観測された可視光観測イベントであるスウォープ超新星サーベイイベント2017a（SSS17a）と同時に発生した。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

GW170817とGRB 170817Aが時空的にも共存していたことから、中性子星合体が短時間ガンマ線バーストを引き起こすことが明確に証明された。その後、GW170817とGRB 170817Aが発生したとされる領域でSSS17a [ 15 ]が検出され、キロノバの特徴を備えていることが示されたことから、中性子星合体がキロノバの発生原因でもあることが示された。[ 16 ]

2018年、天文学者たちは、2015年に検出されたはるかに遠方の短時間ガンマ線バーストであるGRB 150101Bも、中性子星の合体によるものである可能性があると報告した。このイベントとGW170817のガンマ線、可視光線、X線放射、そして関連するホスト銀河の性質における類似性は「顕著」と特徴づけられ、中性子星の合体とそれに伴うキロノバは、これまで考えられていたよりも宇宙で一般的である可能性があることを示唆している。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]同年後半、ツヴィッキー・トランジェント・ファシリティが重力波イベントによって引き起こされる追跡観測のための追跡ネットワークに加わった。[ 21 ] [ 22 ]

また同年、科学者たちは重力波イベント（特にGW170817のような中性子星の合体を伴うイベント）の情報を用いて、宇宙の膨張率を定めるハッブル定数を決定する新たな方法を発表しました。[ 23 ] [ 24 ]ハッブル定数を求める従来の2つの方法（赤方偏移に基づく方法と宇宙距離ラダーに基づく方法）は、約10%の差があります。この差、すなわちハッブル張力は、キロノバを別の種類の標準光源として用いることで調整できる可能性があります。[ 25 ]

2019年4月、LIGOとVirgoの重力波観測衛星は、GW190425 [ 26 ]の検出を発表しました。これは、99.94%の確率で2つの中性子星の合体である可能性のあるイベントです。その後の大規模な追跡観測にもかかわらず、電磁波による対応事象は特定されていません。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

2022年12月、天文学者たちはGRB 211211Aを51秒間観測したと報告した。これは「コンパクト連星」の合体に伴う長いGRBの最初の証拠であり、BNSを含む可能性がある。 [ 30 ]これに続いて、GRB 191019A（2019、64秒）[ 31 ]とGRB 230307A（2023、35秒）が長いGRBの祖先として、この新しいクラスの中性子星合体に属すると主張されてきた。[ 32 ]間接的な推論には、キロノバの同時観測、例えば2023年のイベントのスペクトル余波におけるテルルとランタニドの検出が含まれる。 [ 33 ]

CDT-S XT2（マグネター）

2019年、チャンドラX線観測衛星のデータの解析により、66億光年の距離で新たな中性子連星合体、XT2と呼ばれるX線信号が発見されました。この合体によりマグネターが形成され、その放射は数時間にわたって検出されました。[ 34 ]

地球への影響

中性子星合体は、地球上の生命に有害となり得る、非常に多様な放射線を放出します。これには、初期の短いガンマ線バースト、sGRB繭によって散乱された重元素の放射性崩壊による放射[ 35 ] [ 36 ] 、 sGRBの残光自体[ 37 ]、そして爆発によって加速された宇宙線が含まれます。到着順に並べると、（無害な）重力波が最初に到達し、sGRBと残光の光子は数秒から数時間後に、宇宙線粒子は数百年から数千年後に到達します。

非常に指向性の高いsGRB成分の致死領域は、そのビームの方向に沿って数百パーセクに広がっています。[ 38 ]これらの高エネルギーガンマ線光子は、熱ストレス、分子分解、植物と動物の両方に対する末期的な放射線損傷を通じて、生命を直接絶滅させるでしょう。

不運にも直射日光の当たるsGRBビームに当たってしまうという事態はさておき、地球から10パーセク以内で起こる中性子星の合体も、人類の決定的な絶滅につながるだろう。[ 39 ]放出された物質は星間物質を巻き上げ、致死量の宇宙線を含む超新星残骸のような泡を作り出す。もし地球がこの残骸に飲み込まれたら、これらの宇宙線はオゾン層を破壊し、地球の生態系を太陽からの致死レベルのUVB放射にさらすことになる。[ 40 ]また、これらは大気と相互作用して、弱く相互作用するミューオンを生成する可能性もある。これらの生成された粒子の束密度は、洞窟や水中の奥深くまで浸透し、惑星を滅菌するのに十分なものとなる。生命にとって危険なのは、粒子がDNAを破壊し、先天性欠損症や突然変異を引き起こす能力にある。[ 41 ] [ 42 ]

超新星と比較すると、連星中性子星合体（BNS）は、ほぼ同程度の空間体積に影響を与えますが、はるかに稀であると考えられています。また、最も危険なsGRB（s-GRB）成分は、ビームが地球に正確に向けられている必要があります。したがって、BNSイベントが人類絶滅に及ぼす全体的な脅威は極めて低いと考えられます。[ 39 ]

参考文献

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