2020年6月25日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU)
1. 発表概要
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU) の野本憲一 (のもと・けんいち) 上級科学研究員を含む国際共同研究チームは、太陽質量50倍という大質量を持つブラックホールが、脈動型電子対生成超新星によって形成されたものであることをシミュレーションから明らかにしました。米国の重力波望遠鏡 LIGO と欧州の Virgo で2017年に観測されたブラックホール連星の合体イベント GW170729 では、合体前のブラックホールの一方が太陽質量の約50倍であったことが分かりました。しかしながら、従来の予想では太陽質量の10倍程度のブラックホールが多く作られるものと考えられていました。研究グループは大質量星が内部の電子陽電子対の生成によって起こす脈動を詳しくシミュレーションし、GW170729 の合体前のブラックホールがこの脈動型電子対生成超新星によって形成されたことを明らかにしました (図1)。同時に、このメカニズムによって形成されるブラックホールの最大質量を求めました。本研究成果は、米国天文学会の発行する天体物理学専門誌アストロフィジカル・ジャーナル (Astrophysical Journal) のオンライン版に2019年12月11日付で掲載されました。
2. 発表内容
米国の重力波望遠鏡 LIGO と欧州の Virgo の重力波観測は、二つのブラックホールの合体が起きたことを明らかにしました。2017年に観測されたイベントの一つである GW170729 は、合体前の一方のブラックホールが太陽質量の約50倍であったことが分かりました。従来の予想では、合体前のブラックホールは太陽の10倍程度の質量を持つものが多いと考えられており、GW170729 の衝突前のブラックホールの質量は予想よりはるかに大きいものです。
Kavli IPMU の野本憲一上級科学研究員と Shing-Chi Leung 特任研究員 (現在はカリフォルニア工科大学研究員)、Kavli IPMU の客員上級科学研究員を兼ねるロシア理論実験物理研究所の Sergei Blinnikov 教授の国際研究チームは、太陽質量の80倍から130倍の非常に質量の大きな星の進化の最終段階をシミュレーションし調べました。
太陽質量の80倍から130倍の質量の星が進化して酸素の多いコアを形成すると動的な脈動を始めます (想像図a, bと図2)。星内部の温度が高くなると光子から電子と陽電子の対が生成され、星のコアが不安定になって収縮が加速します (想像図b)。急激な収縮により酸素の爆発的燃焼が起こり、そのエネルギーにより収縮していたコアの跳ね返りと膨張が起きます。その結果、星の外層の一部が吹き飛ばされ、一方で内側は冷えて再び収縮します(想像図c)。そして、酸素が燃やされてなくなるまで脈動 (膨張と収縮) が繰り返されます (想像図d)。この過程は「電子対生成脈動 (Pulsational Pair Instability, PPI)」と呼ばれています。星はこの過程を経て鉄のコアを形成し、最終的にブラックホールへと崩壊します。そしてそれが引き金となって、爆発が引き起こされます (想像図e)。この爆発を脈動型電子対生成超新星といいます。
研究グループは、このような脈動型電子対生成超新星に至る進化を計算し、脈動が起きている間に起きる大量の質量放出のシミュレーションを行いました。この放出量は大質量の星ほど大きく、最後に形成されるブラックホールの質量が逆に小さくなります。その結果、太陽質量の80倍から130倍の質量の星が形成するブラックホールの最大の質量は太陽質量の52倍であると結論づけることができました (図3)
太陽質量の130倍から300倍の間の質量を持つ星は、電子対生成不安定型超新星になります。そのような星では、爆発的な酸素の燃焼により大量のエネルギーが生成されて星が完全に飛び散り、ブラックホールが後に残されません（図3）。また、太陽質量の300倍以上の星は、太陽質量の150倍より大きな質量のブラックホールを形成すると想定されていますが、そもそも、そのような星はあまり多くは誕生しません。
こうして、研究グループは、重力波イベントGW170729 を引き起こした約50太陽質量のブラックホールは、脈動型電子対生成超新星の残骸として形成されたものと結論しました。そして、52太陽質量から150太陽質量の間の質量を持つブラックホールは形成されず、重力波で観測されるブラックホールの質量の最大値は、実際上52太陽質量となることを結論しました。
研究グループは更に、星の脈動によって大量の星周物質が形成されることを予測しました。この星周物質と脈動型電子対生成超新星の爆発で生じた物質が衝突することで超高輝度超新星となる可能性も示しました。将来の重力波観測によって、脈動型電子対生成超新星となる星の進化や超高輝度超新星のメカニズムに関する理論的予言が裏付けられるかもしれません。
3. 発表雑誌
雑誌名: The Astrophysical Journal
論文タイトル: Pulsational Pair-instability Supernovae. I. Pre-collapse Evolution and Pulsational Mass Ejection
著者: Shing-Chi Leung (1,2), Ken'ichi Nomoto (1), and Sergei Blinnikov (1,3,4)
著者所属:
1. Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), The University of Tokyo Institutes for Advanced Study, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan
2. TAPIR, Walter Burke Institute for Theoretical Physics, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA
3. NRC "Kurchatov Institute" ITEP, B.Cheremushkinkaya 25, 117218 Moscow, Russia
4. Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA), Suschevskaya 22, 127055 Moscow, Russia
DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab4fe5 (2019年12月11日掲載)
論文のアブストラクト (The Astrophysical Journal のページ)
プレプリント (arXiv.orgのページ)
4. 問い合わせ先
（研究内容について）
野本 憲一 (のもと・けんいち)
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 上級科学研究員
TEL: 04-7136-5940
E-mail: nomoto_at_astron.s.u-tokyo.ac.jp
*_at_を@に変更してください
（報道に関する連絡先)
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 広報担当 小森真里奈
TEL: 04-7136-5977
E-mail：press_at_ipmu.jp
*_at_を@に変更してください
5. 参考画像：
画像は https://web.ipmu.jp/press/20200619-gw170729 からダウンロード可能です。