ISSの全天X線監視装置「MAXI」
 若田さんのいる、国際宇宙ステーション(ISS)に搭載した全天X線監視装置「MAXI(マキシ)」が、新星爆発の瞬間の「火の玉」を初めて観測することに成功した。

 この新星は2011年11月11日、小マゼラン星雲で発見された、極めて明るいX線を放つ天体として発見された。分析の結果、X線は新星爆発直後の約1時間、重量級の白色矮星を包み込んだ「火の玉」から放射されたものと分かった。「火の玉」の観測は史上初、「火の玉」からの閃光中にネオンの放射も発見した。

 最近の研究では、新星というと恒星の最後の爆発ではないことがわかっている。新星は、二連星だった恒星の一方が寿命で白色矮星になり、もう一方から水素ガスを供給するときに水素の核融合反応で起きる。


 なので、恒星自体が爆発してなくなるわけではない。新星爆発後も連星系に大きな変化はなく、相手の恒星から白色矮星への水素の流入は継続するため、いずれ再び新星爆発を起こすこととなるが、爆発の間隔は1000年から10万年と推測されており、ほとんどの場合、1度だけの爆発しか観測されていない。

 これに対して、超新星爆発は、恒星自体がふっとび消えてなくなる。超新星爆発が発生すると、強烈なガンマ線が周囲に一斉に放たれる。

 このガンマ線の威力は凄まじく、超新星爆発を起こした恒星から半径5光年以内の惑星に住む生命体は絶滅し、25光年以内の惑星に住む生命体は半数が死に、50光年以内の惑星に住む生命体は壊滅的な打撃を受けるとされる。

 ガンマ線は地表を容赦なく汚染して生命体が住めない環境にしてしまい、そこから生命体が住めるようになる環境に戻るまでには数年を要すると言われている。

 理化学研究所11月14日記事:新星爆発の瞬間を観測を見てみよう。


 新星爆発の瞬間を観測
 理化学研究所(理研、野依良治理事長)は、宇宙航空研究開発機構(JAXA、奥村直樹理事長)と共同で開発し、国際宇宙ステーション(ISS)に搭載した全天X線監視装置「MAXI(マキシ)」を用いて、新星爆発の瞬間に重量級の白色矮星を包みこんだ「火の玉」を初めて観測することに成功しました。これは、理研グローバル研究クラスタ(玉尾皓平クラスタ長)理研のMAXIチーム(牧島一夫チームリーダー) の森井幹雄協力研究員らを中心とした全国のMAXI研究グループと、NASAのSwift(スウィフト)衛星チームの協力研究者による共同研究グループの成果です。

 重い白色矮星の表面上で新星爆発が起こると、点火から数時間の間に星全体が「火の玉」に包まれ、紫外線や軟X線の閃光が放出されるという理論予想がありました。しかし、短時間の突発的なX線閃光を検出する装置がなかったため、閃光は観測されたことがありませんでした。2009年8月に運用を開始したMAXIにより、軟X線の波長域で全天の突発現象を監視することが初めて可能になりました。

 MAXI研究グループは、地球から22万光年遠方に位置する小マゼラン星雲の東端に、通常の新星爆発時に比べ約100倍という極めて明るい軟X線の閃光を放射する突発天体を発見し、「MAXI J0158-744」と名付けました。

 MAXIとSwift衛星による追跡観測によって得られたデータを精査した結果、MAXIが観測した軟X線閃光は、非常に重い白色矮星の表面上で起こった新星爆発の点火後約1時間の間に、星全体を包み込んだ「火の玉」からの放射であることが分かりました。

 新星爆発初期の「火の玉」からの軟X線閃光を観測したのは史上初となります。さらに、MAXI に搭載している軟X線分光観測装置(SSC)は、この「火の玉」からの軟X線閃光の中に明るいネオン輝線を検出しました。これは、爆発するガス中に大量のネオン元素が存在することを意味し、この白色矮星が酸素とネオンで構成された重い白色矮星であることを示しています。

 今回、新星爆発初期の軟X線閃光が通常の新星爆発の約100倍の明るさに達したこと、さらに明るいネオン輝線を含んでいることは、既存の新星爆発理論では説明できないため、理論の書き変えが必要になります。また、MAXI J0158-744の質量は、白色矮星の最大質量であるチャンドラセカール限界ぎりぎりの値、もしくは、その値を超えている可能性があります。これは、天文学に広く影響を与える可能性があります。さらに、このような非常に重い白色矮星が珍しいタイプの連星系の中に見つかったことで、連星進化モデルの再考も必要になると考えられます。


 白色矮星とは何か?
 白色矮星(white dwarf stars)は、恒星が進化の終末期にとりうる形態の一つ。質量は太陽と同程度から数分の1程度と大きいが、直径は地球と同程度かやや大きいくらいに縮小しており、非常に高密度の天体である。

 シリウスの伴星(シリウスB)やヴァン・マーネン星など、数百個が知られている。太陽近辺の褐色矮星より質量が大きい天体のうち、4分の1が白色矮星に占められていると考えられている。

 質量が太陽の3倍以内の恒星は、水素の核融合反応により中心核がヘリウム等になって温度が上がると赤色巨星となり、水素でできた外層部は惑星状星雲の形を取って宇宙空間に放出され、残った中心核が白色矮星となる。

 恒星の中心核であった時の余熱と重力による圧力のために光と熱を発しているのであり、こと座の環状星雲やみずがめ座のらせん星雲、こぎつね座の亜鈴状星雲など、惑星状星雲の中心部には、外層部を剥ぎ取られてできたばかりの、表面温度が5万度から10万度に及ぶ高温の白色矮星が見られる。

 これらの星は、もはやエネルギー源が無いため、数百億年かけて次第に低温の星になり、最後は黒色矮星となって電磁波による観測ができなくなるとされている。あと約50億年もすれば太陽もこのような終焉を迎えるだろうと言われている。

 「白色矮星」という語は、シリウス伴星が白色、スペクトル分類がA型であったところからできたものであるが、観測の結果、他にも青・青白・黄白・黄・橙・赤など通常の恒星と同じものが存在することがわかった。スペクトル型では、それぞれO・B・F・G・K・Mに相当するもので、冷却の段階を示していると考えられる。

 1960年代までは、中性子星やブラックホールは理論こそ提唱されていたものの実在は証明されておらず、大質量の恒星が超新星となって爆発した後、その中心核が白色矮星になると考えられていた。


 物理的性質
 天王星、海王星、地球、金星などに囲まれている中央の白い星が白色矮星のシリウスB。地球とほぼ同じ大きさであるが、質量は太陽と同程度である。

 白色矮星として最もよく知られるシリウス伴星(シリウスB)は、直径は太陽の0.016倍、質量は1.06倍、平均密度は水の40万倍とされる(『2000年版理科年表』より)。そこから、表面重力は太陽の約4100倍、地球と比較すると約11万6000倍と計算される。その高密度のために原子内の電子は、フェルミ縮退しておりパウリの排他律からそれ以上の縮退状態を形成できない、これによる縮退圧の圧力勾配と星自身の重力が釣り合って白色矮星はその形を保っていられるのである。

 太陽質量のおよそ 1.4 倍以上の白色矮星は存在しない(チャンドラセカール限界を参照)。1.4 倍以上の場合は、電子の縮退圧では重力による星の収縮を支えきれず、中性子星となるか、重力崩壊を引き起こして一気に重力エネルギーを解放させ爆発するかのいずれかとなる。後者は、白色矮星が高温になり炭素の核融合反応が開始するために爆発する物で、この白色矮星の爆発はIa型超新星爆発といわれる。

 白色矮星は、もはや進化せず冷えていくだけの天体であるが、通常の恒星と近接連星を構成している場合に限り、新星やIa型超新星として活動することがある。相手の星から白色矮星の重力により剥ぎ取られて降着した水素は表面に積もって、落下時の位置エネルギーや強い重力で加熱され、限界を超えると核融合を起こす。通常の恒星では中心部で核融合が活発化して温度と圧力が上がると膨張してその速度を下げるという機構が働き、安定してエネルギーを放出し続けるが、縮退気体にはそうした作用がなく、核融合は暴走し、表面に降り積もった水素を吹き飛ばす。これが新星である。

 水素の降下量が多い場合、熱が溜まり表面で核融合が行われる場合がある。その場合は白色矮星の質量が増えていき、チャンドラセカール限界を超えると中心部で核融合は暴走し、Ia型超新星爆発に至る。

 白色矮星を構成する物質は、核融合反応によって生じた、ヘリウム、炭素、酸素などである(他に、ネオンやマグネシウムなどがある)。2004年、米国の研究グループが、白色矮星に巨大なダイヤモンドが存在する可能性を指摘している。これは白色矮星の構成要素である炭素が高圧下で結晶化することによるが、非常に高圧ではダイヤモンド以外の相がより安定であるという指摘もあり 、実際に白色矮星のような高圧下でどのような結晶構造が安定であるかは定かでない。白色矮星は通常の恒星と同様、気体とプラズマから成り立っていると考えられているためである。


 新星とは何か?
 新星は、激変星(Cataclysmic Variable star)の一種である。恒星(白色矮星)の表面に一時的に強い爆発が起こり、それまでの光度の数百倍から数百万倍も増光する現象を言う。英語やヨーロッパの言語の多くではノヴァ (nova、複数形 novae) と呼び、変光星の分類としてはN型と言う。他の類似の激変星と区別するために古典新星 (classical nova) と言うこともある。 超新星と名前が似ており、大きく分類すれば同じ激変星であるが、発生原因や増光の原理は大きく異なる。また、「新しい星」が生まれる現象でもない。

 超新星(特に、II型と呼ばれるもの)の発生原因については、第2次世界大戦の前後に恒星の進化の過程が明らかにされた頃から概略的に知られていたが、新星は、超新星よりはるかに発生頻度が高く観測の機会も多かったにもかかわらず、ようやく発生の機構が明らかにされたのは1970年代に入ってからである。

 新星爆発を起こす星は、白色矮星と通常の恒星(主系列星)の連星で、特に双方の距離が小さい近接連星である。距離が小さいので主系列星の表面の水素ガスが白色矮星の強い潮汐作用により流出し、白色矮星の周囲に降着円盤を形成して降り積もる。水素の供給は長期にわたって持続するので、白色矮星表面には次第に水素が堆積する。白色矮星の強い重力のため、落下する水素は大きな運動エネルギーを持つので、白色矮星表面への衝突で大きな熱が発生し、また重力によって圧縮されて密度が高まる。これは核融合反応を起こす条件となる。

 太陽をはじめとする通常の恒星の中心部でも、強い重力による高温と高圧のために水素原子核が核融合反応を起こし、大きなエネルギーを発生させているのであるが、そこでは、反応速度が上がってエネルギーが出すぎると温度と圧力が上がるため逆に密度が低下して反応速度が下がる。また反応速度が下がりすぎてエネルギーが少なくなると恒星の重力により中心部は圧縮されて密度が上がり、核融合反応が活発化して多くのエネルギーが出される。


 新星爆発は繰り返される
 このように、恒星の中心部の核融合反応は巧みに調整され、安定してエネルギーを放出し続けるが、白色矮星は縮退した物質でできているため、このような調整が効かない。主系列星から降り注いだ水素が表面で核融合を始めても白色矮星はそのエネルギーを吸収して膨張したり密度を下げたりできないため、核融合反応は急激に進行、つまり暴走し、白色矮星の表面全体が爆発して新星として観測される。爆発後は水素や、核反応で生じたヘリウム・炭素・酸素等のガスを宇宙空間に放出して核反応は終息し、光度は下がってもとの暗い連星系に戻る。

 新星爆発後も連星系に大きな変化はなく、相手の恒星から白色矮星への水素の流入は継続するため、いずれ再び新星爆発を起こすこととなるが、爆発の間隔は1000年から10万年と推測されており、ほとんどの場合、1度だけの爆発しか観測されていない。

 ただし、白色矮星の質量が大きく、連星系のもう片方が赤色巨星の場合は、爆発の間隔は10年から数十年と短くなり、繰り返し爆発が観測される。このような新星は反復新星や回帰新星と呼ばれ、10例程度が発見されている。

 降着円盤の崩壊である矮新星とは別の現象であるが、矮新星爆発により白色矮星に水素が供給されるため、矮新星はより長い周期で新星爆発を起こす可能性が指摘されており、2007年には矮新星きりん座Z星に新星爆発の痕跡星雲が発見された。

 新星が爆発した時の増光量は実に様々で、その原因はよくわからないが、白色矮星の質量や流入する水素の量などと関係が考えられる。反復新星はいずれも増光の度合いが小さく、爆発前と比べるとせいぜい1000倍程度明るくなるだけであるが、これは水素が大量に流入するため、白色矮星表面での加熱・圧縮が早くから進み、蓄積が進まないうちに爆発が起こるためと考えられる。通常の新星は絶対光度で12ないし13等級も光度が上がる。すなわち爆発前と比べると数万倍から10数万倍も増光する。(Wikipedia)


 超新星爆発とは何か?
 超新星(supernova)は、大質量の恒星が、その一生を終えるときに起こす大規模な爆発現象である。

 超新星爆発が発生すると、強烈なガンマ線が周囲に一斉に放たれる。このガンマ線の威力は凄まじく、超新星爆発を起こした恒星から半径5光年以内の惑星に住む生命体は絶滅し、25光年以内の惑星に住む生命体は半数が死に、50光年以内の惑星に住む生命体は壊滅的な打撃を受けるとされる。ガンマ線は地表を容赦なく汚染して生命体が住めない環境にしてしまい、そこから生命体が住めるようになる環境に戻るまでには数年を要すると言われている。

 現在、地球周辺で近いうちにII型超新星爆発を起こすと予測されている星は、約600光年離れたアンタレスと、約640光年の距離にあるベテルギウスである。これらの星が超新星爆発を起こした際には地球にも若干の影響が出ると言われているが、地球から距離が離れすぎているためにガンマ線の威力は弱まり、オゾン層が多少傷つく程度で惑星および生命体への影響はほとんどないと予測されている。またガンマ線は自転軸の2度の範囲に放出されることが判明しており、その後の観測から地球はベテルギウスの自転軸から20度の位置にあることもわかっていることから、ベテルギウスからのガンマ線は地球に影響を及ぼさないと考えられている。

仮に地球から8.6光年離れたシリウスA、あるいは25.3光年離れたベガがII型超新星爆発を起こしたとすると、地球に住む生命はほぼ確実に絶滅するか壊滅的な打撃を受けることになるが、シリウスAの質量は太陽の2倍強、またベガの質量は太陽の3倍程度であるために超新星爆発は起こさず、いずれも赤色巨星となって膨張した外層部により惑星状星雲を形成し、残った中心核が白色矮星となる可能性が濃厚である。

我々が住んでいる地球も一部の三葉虫の絶滅など、周囲の星の超新星爆発の影響を受けたと思われる痕跡がいくつか発見されている。(Wikipedia)


ベテルギウスの超新星爆発 加速膨張する宇宙の発見 (幻冬舎新書)
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