ペルセウス座銀河団の化学組成の起源を解明

2026年5月14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, WPI）

1. 発表概要
東京大学名誉教授で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, WPI) の野本憲一 (のもとけんいち) 客員上級科学研究員、ニューヨーク州立大学助教でKavli IPMU 客員准科学研究員の Shing-Chi Leung 氏、オランダ宇宙研究所教授でKavli IPMU 客員科学研究員の Aurora Simionescu 氏らの研究チームは、従来の理論モデルでは説明困難だったペルセウス銀河団における元素存在比のパターンを解明するため、新たな恒星および超新星モデルを開発し、ペルセウス座銀河団で観測された特定の化学組成と一致する結果を得ることに成功しました。研究チームは、開発した新しいモデルが天の川銀河の化学的進化にどのような影響を与えるかについての研究にも着手しており、超新星爆発の発生率や恒星の化学組成の成り立ちについてさらに詳しく解明していく計画です。

本研究の一連の成果は、米国の天体物理学専門誌 The Astrophysical Journal (アストロフィジカル・ジャーナル) に3編の論文として掲載されました。

図1. ジェット駆動型の超新星の模式図。大質量星の中心部に形成されたコンパクト天体から放出されたエネルギーが双極方向に外向きのバーストを引き起こす。このバーストは星表面に衝撃波が到達することによるショックブレイクアウトを引き起こし、これが長時間に及ぶガンマ線バーストの発生源となる可能性がある。非球形の爆発現象は、極めて複雑な構造の物質の噴出とそれに伴う元素合成を引き起こす。(Credit: Image created by Shing-Chi Leung and Google Gemini Nano Banana Pro)

2. 発表内容
ペルセウス座には、科学界で知られている最も巨大な構造の一つであるペルセウス銀河団が存在しています。この銀河団は、銀河団内物質（ICM）と呼ばれる超高温ガスの海に、1,000を超える銀河が集まっています。このガスは、X線で激しく輝いており、数10億年にわたって起きた数100億回ほどの超新星爆発が残した化学的な痕跡が記録されています。しかし、X線天文衛星「ひとみ（ASTRO-H）」のデータによって、研究者による従来の理論モデルには、修正が必要であることが判明していました。観測結果では、Si (シリコン)、S (硫黄)、Ar (アルゴン)、Ca (カルシウム) の組成比が、研究者達のこれまでの理論的予測と大きく異なっており、この不一致は恒星進化のモデルを根本から再構築する必要性を示唆していました。

従来の理論モデルでは説明が困難だったペルセウス座銀河団の元素存在比のパターンを解明するため、野本憲一 (のもとけんいち) 客員上級科学研究員らの研究チームは、ひとみで観測されたペルセウス座銀河団の化学組成について研究を進めてきました。研究は段階的に進められ、まず大質量星及び超新星爆発の新しいモデルを開発し、最終的にペルセウス座銀河団で観測されたいくつかの化学組成（Si、S、Ar、Ca）と一致する結果を得るに至りました。

fig2 — 図2. ペルセウス座銀河団の化学組成と新しいモデルによって得られた化学組成の比較。このプロジェクトと従来のモデルに基づく超新星発生率を用いた。改良された星の進化モデルによれば、Si と S の過剰生成は減り、ペルセウス銀河団で観測された範囲内に収まる。同時に、Ar と Ca の生成不足も解消される。しかし、この比較は、Ia 型超新星爆発と密接に関係している Mn の不足や Ni の過剰生成といった、新たな課題も示している。(Credit: Leung et al. Paper II)

さらに研究チームはこの研究を拡張し、太陽質量の15倍から60倍にわたる広範囲の質量と「金属量」（星が形成された時の化学組成で、宇宙における星の年齢によって決定される）を網羅する大規模な星モデルカタログを作成しました。このカタログを銀河の化学進化解析のためのデータパイプラインで処理することで、超新星爆発が今日の化学組成をどのように形成してきたかという100億年以上の歴史を再構築することに成功しました。

そして3編目の論文では、超新星が双極方向にジェットを吹き出す形で爆発するという極端なケースを検討しました。これは恒星が回転している場合に発生し、その結果として高速回転するブラックホール（コラプサー）や中性子星が中心部に形成されます。中心でコンパクト天体となった残骸の周囲に形成された降着円盤は、磁気回転不安定性の作用によって、恒星の外層に向かって非常に高エネルギーのジェットを噴出させます (図1)。研究チームは、ジェットがどのように原子核反応の急激な増加とその後に続く爆発（アウトブレイク）を引き起こしたかを追跡するため、多次元シミュレーションを実施しました。その結果、ジェットによるZn (亜鉛) の顕著な生成が、過去の宇宙でこうした極端な事象が発生した割合を決定する強力な証拠となり得ることを明らかにしました。

研究チームは、これらのモデルが宇宙の歴史を通じて天の川銀河の化学的進化にどのような影響を与えるかについての研究にも着手しており、超新星爆発の発生率や恒星の化学組成の成り立ちについてさらに詳しく解明していく予定です。また、研究チームは2023年9月に打ち上げられたX線分光撮像衛星 XRISM が今後公開する様々な銀河団に関するデータにも関心を持っており、それらの解析によっても研究の進展が期待されます。

fig3 — 図3. ジェット駆動型超新星の新しいモデルが、銀河規模でのZn 生成においていかに重要であるかを示した図。ジェット駆動型超新星が存在しない宇宙では、Zn 生成量は天の川銀河の恒星における存在量を説明するにははるかに不十分であり、天の川銀河におけるパターンを説明するにはジェット駆動型超新星が存在していた必要がある。例えば、Zn に富む超金属欠乏星HE1327-2326を説明するには、局所的環境でほぼ100%ジェット駆動型超新星爆発が起きたというシナリオが必要となる。(Credit: Leung et al. Paper III)

3. 発表雑誌
1編目
雑誌名：The Astrophysical Journal
論文タイトル：Revisiting the Perseus Cluster. I. Resolving the Si/S/Ar/Ca Ratios by Stellar Convection
著者：Shing-Chi Leung (1), Ken’ichi Nomoto (2), Aurora Simionescu (3, 2, 4)
著者所属：
1 Department of Mathematics and Physics, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
2 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
3 SRON Netherlands Institute for Space Research, Niels Bohrweg 4, 2333 CA Leiden, The Netherlands
4 Leiden Observatory, Leiden University, PO Box 9513, 2300 RA Leiden, The Netherlands

DOI: 10.3847/1538-4357/adf430 (2025年9月9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)

2編目
雑誌名：The Astrophysical Journal
論文タイトル：Revisiting the Perseus Cluster. II. Metallicity-dependence of Massive Stars and Chemical Enrichment History
著者：Shing-Chi Leung (1), Seth Walther (1, 2, 3), Henry Yerdon (1, 2, 4), Ken’ichi Nomoto (5), Aurora Simionescu (5, 6, 7)
著者所属：
1 Department of Physics, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA; leungs@sunypoly.edu
2 Department of Electrical and Computer Engineering, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
3 Department of Mathematics, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
4 Department of Computer Science, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
5 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
6 SRON Netherlands Institute for Space Research, Niels Bohrweg 4, 2333 CA Leiden, The Netherlands
7 Leiden Observatory, Leiden University, PO Box 9513, 2300 RA Leiden, The Netherlands

DOI: 10.3847/1538-4357/ae4979 (2026年4月7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)

3編目
雑誌名：The Astrophysical Journal
論文タイトル：Revisiting the Perseus Cluster. III. Role of Aspherical Explosions on Its Chemical Composition and Extension to Metal-poor Stars and Galaxies
著者：Shing-Chi Leung (1), Henry Yerdon (1, 2, 3), Seth Walther (1, 2, 4), Ken’ichi Nomoto (5), Aurora Simionescu (5, 6, 7)
著者所属：
1 Department of Physics, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA; leungs@sunypoly.edu
2 Department of Electrical and Computer Engineering, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
3 Department of Computer Science, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
4 Department of Mathematics, SUNY Polytechnic Institute, 100 Seymour Road, Utica, NY 13502, USA
5 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
6 SRON Netherlands Institute for Space Research, Niels Bohrweg 4, 2333 CA Leiden, The Netherlands
7 Leiden Observatory, Leiden University, P.O. Box 9513, 2300 RA Leiden, The Netherlands

DOI: 10.3847/1538-4357/ae4d19 (2026年4月7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
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客員上級科学研究員　
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
E-mail：press_at_ipmu.jp
Tel：04-7136-5977
*_at_を@に変更してください　