“超高輝度”超新星
 地球から約90億光年も離れ、太陽の1000億倍の明るさをもつとされる“超高輝度”の超新星の光が、実は、地球との間にある銀河などの大質量の天体によって空間が曲げられる「重力レンズ効果」で集光され、実際の約30倍も明るく見えていたことが分かった。東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構のロバート・クインビー特任研究員らが、これまで難しかった同効果による増光率の測定に成功した。今後さらに他の天体の重力レンズ効果を測定することで、宇宙に充満する暗黒物質や暗黒エネルギー、ブラックホールなど、光で直接観測できないものの解明にもつながるという。

 この超新星は2010年8月に発見された「PS1-10afx」。超新星は、恒星が一生を終えるときに大爆発して生まれるが、PS1-10afxは非常に遠方にありながら極めて明るいことから「超高輝度超新星(superluminous supernovae;SLSNe)」の一種と考えられていた。しかし通常の超高輝度超新星は青色で、明るさの変化は比較的遅いが、PS1-10afxは赤色の成分が強く、明るさの変化も通常の超新星と同様に速いという特徴があった。

 クインビー特任研究員らがPS1-10afxのデータを解析したところ、光の波長分布と明るさの時間変化は「Ia型」超新星の特徴と正確に一致することが分かった。Ia型超新星は、宇宙のどこで誕生したものでも、明るさと時間変化の関係が非常に似通っている。そのため、地球と超新星(の属する銀河)との距離を測る「標準光源」として利用されているが、PS1-10afxは通常のIa型超新星の約30倍という異常な明るさであり、「標準光源」としてはかけ離れていた。


 この矛盾を解くため、クインビー特任研究員らは同機構の宇宙物理学者や数学者を総動員して検討したという。その結果、見出したのが「重力レンズ効果によって、超新星の明るさが増幅されて見えた」という結論。PS1-10afxと地球との間に大きな質量の天体が存在していて、宇宙の別の場所に届くはずの光も重力レンズで集光され、地球から超新星が非常に明るく見えたのだという。この現象では効果を受けた天体の色や波長分布、光度変化の速さは影響を受けず、天体の明るさだけが大きくなって観測される。「PS1-10afxでは、まさにこの現象がとらえられていたのだ」という。

 今回の研究では、Ia型超新星の標準光源の性質を利用することで、重力レンズ効果による増光率を直接測定することができ、重力理論による計算を検証することにつながった。同機構が推進している、すばる望遠鏡(ハワイ)に設置した超広視野イメージング装置「HSC(Hyper Suprime-Cam)」などの観測で、さらに多くの重力レンズ効果を受けたIa型超新星や他の天体が発見されるだろうと述べている。

 研究論文“Extraordinary Magnification of the Ordinary Type Ia Supernova PS1-10afx”は米国天文誌「The Astrophysical Journal Letters」(5月1日号)に掲載される。(サイエンスポータル 2013年4月24日)


 謎の超新星「PS1-10afx」の増光は重力レンズ効果
 東京大学 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構(カブリIPMU)は4月23日、地球から約90億光年の遠方に見つかった超新星「PS1-10afx」が、明るさが一定のため「宇宙の標準光源」として知られる「Ia型超新星」(画像1)でありながら、超新星と地球との間にある大質量の天体によって空間が曲げられる「重力レンズ効果」によって集光され、通常の約30倍も明るく見えたことを発見したと発表した。

 PS1-10afxは、4台の望遠鏡を使って移動天体や突発天体を検出することを主目的とした米国の「全天サーベイ観測パンスターズ1(Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System1:Pan-STARRS1)」によって、2010年に発見された超新星だ。PS1-10afxの赤方偏移は1.3883と計測されたことから、地球から約90億光年の遠方にあることがわかった。パンスターズ1で見つかっているほかの超新星の中では、特に遠方である。

 しかし、それだけの遠方にもかかわらず非常に明るかったことから、超新星爆発の中でも希少な存在の、太陽の1000億倍の明るさを持つ「超高輝度超新星(superluminous supernovae:SLSNe)」の1種として当初は結論づけられた。

 ところが、PS1-10afxを超高輝度超新星とするには条件が合わない要素が複数あったのである。通常、超高輝度超新星は青色をしており、明るさの変化は比較的遅いというのが特徴だ。それに対してPS1-10afxは赤色の成分が強く、明るさの変化も通常の超新星と同様に速いものだった。そのため、これほどまでに明るく、赤色で、光度変化の速い超新星の物理モデルが存在せず、イレギュラーな存在となってしまったのである。

 そこで超高輝度超新星の研究の中心的存在であり、その発見の際にも重要な役目を果たしたクインビー特任研究員が、PS1-10afxのデータの詳細な解析を行ったところ、超高輝度超新星ではなく、データの特徴が大変見慣れたものであることに気づいたという。Ia型超新星の波長分布と一致したのだ。

 Ia型超新星は、宇宙のどこで起こったものでも明るさとその時間変化が非常に似通っているため、その明るさから距離が導き出せる標準光源として活用されている。Ia型超新星の標準光源としての価値は、この性質が2011年にノーベル物理学賞に輝いた宇宙の加速膨張の発見にも重要なファクターとなったことから、おわかりいただけることだろう(ただし、ここ最近になって、こちらのように、Ia型超新星にはバラつきがあり、もしかしたら標準光源として適さないかも知れない可能性もあるという研究成果も出ている)。


 重力レンズが超新星を輝かせた?
 PS1-10afxの光度の時間変化が通常のIa型超新星と同じであることがわかった。しかし、前述したように典型的なIa型超新星の30倍の明るさがある。なぜこれほど明るくなったのだろう?

 クインビー特任研究員らはここで、この矛盾を解決すべく、重力レンズの数学的理論を専門とするマーカス・ワーナー特任研究員をはじめとするカブリIPMUの宇宙物理学者と数学者の力を借りることにした。そして、超新星と地球との間にある天体の重力レンズ効果によって、超新星の明るさが増幅されて見えた、という結論に達したのである。

 もちろん、PS1-10afxと地球とその間にある重力レンズ天体の3者が一直線上に重なっているのかそれともズレているのか、重力レンズ天体が地球からどれだけの距離にあるか、どれだけ重力が強い天体なのか、重力の働き方が球状なのか歪んでいるのか、などによって、重力レンズ像は大きく変化し、これまで多数の重力レンズ増が観測されているが、きれいな像になっていないものも多い(その多くが、手前の銀河などがより遠方に位置する銀河を分裂させたり、歪ませたりして重力レンズ効果を見せている)。

 重力レンズ現象では、効果を受けた天体(今回ならPS1-10afx)の色や波長分布、光度変化の速さは影響を受けない。つまり、天体の明るさだけが大きくなって観測される。よって、条件さえが整えば、きれいに光を集めて増幅することも可能性があるというわけだ。そうすると、まるで実際に何倍も何10倍も明るく輝いたかに見えるわけで、それが今回起きたというわけだ。ちなみに、Ia型超新星に対して重力レンズ効果が働いているのをとらえたのは、今回が世界で初めてとなる。

 また、今回の発表論文の共著者の1人である、カブリIPMUの大栗真宗特任助教は、数年前に自らのチームの論文で、パンスターズ1では強い重力レンズ効果を受けたIa型超新星を発見できると予測。そしてその発見により、宇宙論のパラメータに強い制限を加えることができるとしていたが、今回、予測通りのIa型超新星が発見されたというわけだ。

 また今回、Ia型超新星の標準光源の性質を利用することで、ほかの天体の重力レンズ効果では測定することの難しいレンズの増光率を直接測定することができ、重力理論による計算を検証することにもつながったという。カブリIPMUが推進している、すばる望遠鏡に設置した超広視野イメージング装置「HSC(Hyper Suprime-Cam)」などの観測では、さらに多くの重力レンズ効果を受けたIa型超新星やほかの天体が発見される可能性があるとする。

 なお、今回の発見に対して研究チームは、今後、さまざまな天体の重力レンズ効果を利用して宇宙の暗黒物質、暗黒エネルギーや重力理論の解明をさらに進めるための重要な足がかりになることが期待されるとコメントしている。(マイナビニュース 2013/04/25)


 重力レンズとは何か?
 重力レンズ(gravitational lens)とは、恒星や銀河などが発する光が、途中にある天体などの重力によって曲げられたり、その結果として複数の経路を通過する光が集まるために明るく見えたりする現象。光源と重力源との位置関係によっては、複数の像が見えたり、弓状に変形した像が見えたりする。重力レンズ効果とも言われる。また、リング状の像のものはアインシュタインリングと言われる。光が曲がることは一般相対性理論から導かれる現象で、一般相対性理論の正当性を証明した現象のひとつである。

 光は重力にひきつけられて曲がるわけではなく、重い物体によってゆがめられた時空を進むために曲がる。対象物と観測者の間に大きい重力源があると、この現象により光が曲がり、観測者に複数の経路を通った光が到達することがある。これにより、同一の対象物が複数の像となって見える。光が曲がる状態が光学レンズによる光の屈折と似ているため重力レンズと言われる。

 右はその効果を示したCGである。1つの銀河から発せられた光(白い矢印)が、中央にある重い天体の影響によって曲げられ、それぞれ別の経路で地球へと届く。地球上の観測者からは、あたかも2つの同じ天体があるように見える。オレンジ色の矢印は見かけの光の経路である。

 なお、複数の像はそれぞれ別々の経路を通ってきた光であるため、一般的に観測者(地球)までの到達時間が異なる。そのため、それぞれの像の光が対象物からでたのは異なる時である。

 重力レンズ効果は、1936年にアルベルト・アインシュタインが対象物、重力源、観測者が一直線上にならんだ場合にはリング状の像が見えると発表したことにより有名になった。このことから、リング状に見えるものをアインシュタインリングと言う。位置関係が一直線上からズレたり、重力源が無視できない大きさを持つと、それらの程度により弓状の像やゆがんだ複数の像が見える。弓状の像のものがアインシュタインリングと言われることも多い。

 当初は、発生する可能性が低いため観測は不可能ではないかと考えられていた。しかし、1979年の3月に隣接するクエーサー像のスペクトルがまったく同じであることが発見され、8ヶ月後には、これが銀河を重力源とする重力レンズによるものであることが分った。このクエーサーQSO B0957+561は、その形からツインクエーサーという固有名を持つ。以降多くの例が発見され、2005年現在で約100の重力レンズによる多重像クェーサー系が報告されている。(Wikipedia)


参考HP Wikipedia:重力レンズ マイナビニュース:http://news.mynavi.jp/news/2013/04/25/047/index.html


重力レンズでさぐる宇宙 (岩波科学ライブラリー (47))
クリエーター情報なし
岩波書店
ブラックホールと超新星―恒星の大爆発が謎の天体を生みだす (ニュートンムック Newton別冊)
クリエーター情報なし
ニュートンプレス

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