OBJECTIVE.
立教大学理学部（東京都豊島区、学部長：枝元一之）と東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（千葉県柏市、機構長：大栗博司）は、内山泰伸立教大学理学部物理学科教授、高橋忠幸Kavli IPMU主任研究者らが参加する国際共同実験プロジェクトH.E.S.S.チームが、10年以上の長きに渡る挑戦の末、宇宙最大の爆発現象である「ガンマ線バースト」から世界で初めて超高エネルギーガンマ線放射の検出に成功したことを発表しました。
この発見は、アフリカ南西部のナミビアに位置する「H.E.S.S.望遠鏡群」の28m口径を有する世界最大のチェレンコフ望遠鏡を用いて得られた成果です。特に、この超高エネルギーガンマ線が、ガンマ線バーストの爆発の瞬間ではなく十分に時間が経った後にて検出されたことは、非常に驚くべき発見でした。
本研究成果は2019年11月21日発行の科学雑誌『Nature』誌に掲載されました（論文タイトル： A new very-high-energy component deep in the Gamma- ray Burst afterglow）。 なお、立教大学内山研究室所属のDmitry Khangulyan研究員は、本研究において論文の責任著者の一人として主に理論モデルによる観測結果の解釈に大きな貢献を果たしました。
本研究成果は2019年11月21日発行の科学雑誌『Nature』誌に掲載されました（論文タイトル： A new very-high-energy component deep in the Gamma- ray Burst afterglow）。 なお、立教大学内山研究室所属のDmitry Khangulyan研究員は、本研究において論文の責任著者の一人として主に理論モデルによる観測結果の解釈に大きな貢献を果たしました。
1. 発表の背景
「ガンマ線バースト」は宇宙最大の爆発現象であり、爆発の直後から長くて数十秒、強烈に明るく輝きます。このバーストの瞬間に放たれる光は、可視光の数千から数百万倍のエネルギーを持つガンマ線が主な成分です。その後は急激に暗くなり弱く光る「残光」が可視光やX線の追観測からは確認されていました。
ガンマ線バーストは天球上に予兆なく突然発生するため、天球の広範囲を一度に監視可能な宇宙空間の天文衛星によって観測されます。ただし、非常に高いエネルギーのガンマ線（少なくとも可視光の1000億倍のエネルギー以上の光：100ギガ電子ボルト以上に対応）になると、装置の大きさの限られる衛星では観測は難しく、特殊な巨大地上望遠鏡が必要となります。ガンマ線バーストは宇宙最大の爆発現象であるものの、どこまで高いエネルギーの光を生成しているか不明でした。
ガンマ線バーストは天球上に予兆なく突然発生するため、天球の広範囲を一度に監視可能な宇宙空間の天文衛星によって観測されます。ただし、非常に高いエネルギーのガンマ線（少なくとも可視光の1000億倍のエネルギー以上の光：100ギガ電子ボルト以上に対応）になると、装置の大きさの限られる衛星では観測は難しく、特殊な巨大地上望遠鏡が必要となります。ガンマ線バーストは宇宙最大の爆発現象であるものの、どこまで高いエネルギーの光を生成しているか不明でした。
2. 今回の研究成果
[図1: 超高エネルギーガンマ線で見たGRB 180720Bの発生から10時間から12時間後の姿。赤十字が可視光観測から定められた本ガンマ線バーストの位置 H.E.S.S. Collaboration et al., Nature（2019）より]
2018年7 月20日、フェルミ衛星ガンマ線バーストモニターとガンマ線観測衛星スウィフトは、うお座方向にガンマ線バースト「GRB 180720B」*1が発生したことをオンラインシステムにて即座に世界に発信しました。世界中の望遠鏡が次々と観測を始める中、H.E.S.S.望遠鏡群*2にてそのガンマ線バーストが観測可能となったのは、位置の関係から発生後約10時間を経過した後でした。地上観測は天候や昼夜の制限もあり、突然発生するガンマ線バーストに対して巨大望遠鏡による即応観測を実施するのは容易なことではありません。それにも関わらずH.E.S.S.チームは望遠鏡を天体に向け観測に挑みました。その結果、望遠鏡運用開始から10年以上を経て初めて、ガンマ線バーストの「残光」の中に100ギガ電子ボルトから440ギガ電子ボルトに対応する超高エネルギーガンマ線の検出に成功しました。
今回の超高エネルギーガンマ線の検出は、ガンマ線バースト内には非常に高いエネルギーを持つ粒子が存在していると言うだけでなく、爆発後10時間以上経過した後もそれだけの超高エネルギー粒子が生成され続けていることを示しており驚くべき発見でした。今回の発見に至るまでは、超高エネルギーガンマ線は爆発直後の数十秒間のみ観測可能だと思われていたからです。
GRB 180720Bはガンマ線バーストの中でも明るい天体で、バーストは約50秒間続いたことから大質量星が最期に起こす爆発が起因していると考えられます。星の中心核が最期に重力崩壊を起こし回転するブラックホールを形成します。残った周辺のガスがその中心ブラックホールに落ち込み円盤を形成、同時に円盤の垂直方向にはほぼ光速の速さで噴出するプラズマ流「相対論的ジェット」が生まれ、そこからガンマ線の閃光が放たれたと解釈されます。今回の結果からガンマ線バーストがどのように光るのかその機構を記述する理論モデルを絞り込むことができましたが、十分時間が経過した後でも超高エネルギーガンマ線を発生する現象を説明することは単純ではなく、今後の研究課題が噴出する結果とも言えます。
今回の超高エネルギーガンマ線の検出は、ガンマ線バースト内には非常に高いエネルギーを持つ粒子が存在していると言うだけでなく、爆発後10時間以上経過した後もそれだけの超高エネルギー粒子が生成され続けていることを示しており驚くべき発見でした。今回の発見に至るまでは、超高エネルギーガンマ線は爆発直後の数十秒間のみ観測可能だと思われていたからです。
GRB 180720Bはガンマ線バーストの中でも明るい天体で、バーストは約50秒間続いたことから大質量星が最期に起こす爆発が起因していると考えられます。星の中心核が最期に重力崩壊を起こし回転するブラックホールを形成します。残った周辺のガスがその中心ブラックホールに落ち込み円盤を形成、同時に円盤の垂直方向にはほぼ光速の速さで噴出するプラズマ流「相対論的ジェット」が生まれ、そこからガンマ線の閃光が放たれたと解釈されます。今回の結果からガンマ線バーストがどのように光るのかその機構を記述する理論モデルを絞り込むことができましたが、十分時間が経過した後でも超高エネルギーガンマ線を発生する現象を説明することは単純ではなく、今後の研究課題が噴出する結果とも言えます。
[図2: ガンマ線バーストは宇宙で最大の爆発現象です。わずか数秒の間の放射エネルギーが、太陽が何十億年かけて放射するエネルギー量以上になります。ガンマ線バーストの物理プロセスを理解することは現代宇宙物理学における重要問題です。図はガンマ線バーストの想像図（クレジット：ESO/A. Roquette）]
今回の発見によりガンマ線バースト研究の新時代が幕開けとなりました。特に爆発直後だけでなく、半日近く経過した後でも超高エネルギーガンマ線を検出した今回の成果によって、ガンマ線バーストの観測戦略が大きく変わりました。今後、ガンマ線バーストからの超高エネルギーガンマ線放射の検出例が増えることによって、宇宙初期のブラックホール生成の様子、さらには宇宙の進化の解明に役立つことが期待されています。
【注釈】
*1) GRB 180720B
2018年7月20日14時21分39秒（世界標準時)に発生し、「初期放射」と呼ばれる明るく輝くバーストが約50秒間継続しました。また可視光による観測から、約60億光年先で発生した天体だと見積もられています。ガンマ線バーストは、その頭文字（Gamma-Ray Burst: GRB）と発生年月日そして末尾にはその日の発見順にAからアルファベットが与えられます。
2018年7月20日14時21分39秒（世界標準時)に発生し、「初期放射」と呼ばれる明るく輝くバーストが約50秒間継続しました。また可視光による観測から、約60億光年先で発生した天体だと見積もられています。ガンマ線バーストは、その頭文字（Gamma-Ray Burst: GRB）と発生年月日そして末尾にはその日の発見順にAからアルファベットが与えられます。
[図3: H.E.S.S.望遠鏡群中心に位置する主鏡口径28mの世界最大のチェレンコフ望遠鏡。周囲にある４台の口径12mのチェレンコフ望遠鏡の内2台が奥に見える。（クレジット: H.E.S.S. Collaboration）]
*2) H.E.S.S.望遠鏡群
H.E.S.S.望遠鏡群は、1912年に宇宙線を発見し1936年ノーベル賞を受賞したVictor Franz Hessにちなんで名付けられ、アフリカ南西部のナミビアの約1800mの高地に設置されたチェレンコフ望遠鏡群です。宇宙から飛来した超高エネルギーガンマ線は大気に突入すると、大気中の分子と反応して荷電粒子（電子-陽電子対）を生成し、その後も大気中の分子と反応を繰り返して荷電粒子が雪崩式に生まれます。この荷電粒子はエネルギーが十分高いために「光の衝撃波」とも呼ばれる「チェレンコフ光」を放射します。チェレンコフ望遠鏡とは、そのチェレンコフ光を捉えて「間接的に」超高エネルギーガンマ線を観測する装置です。
写真中央に位置するのが今回ガンマ線バーストからの信号を検出した主鏡口径28mを有する世界最大のチェレンコフ望遠鏡で、その周りには主鏡口径12mのチェレンコフ望遠鏡が4台設置されています。2002年に運用を開始、現在ヨーロッパ諸国や日本を含んだ13カ国から260人以上の科学者が参加する国際共同研究プロジェクトであり、日本からは立教大学および東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構が参画しています。（High Energy Stereoscopic System（H.E.S.S.）： https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/）
H.E.S.S.望遠鏡群は、1912年に宇宙線を発見し1936年ノーベル賞を受賞したVictor Franz Hessにちなんで名付けられ、アフリカ南西部のナミビアの約1800mの高地に設置されたチェレンコフ望遠鏡群です。宇宙から飛来した超高エネルギーガンマ線は大気に突入すると、大気中の分子と反応して荷電粒子（電子-陽電子対）を生成し、その後も大気中の分子と反応を繰り返して荷電粒子が雪崩式に生まれます。この荷電粒子はエネルギーが十分高いために「光の衝撃波」とも呼ばれる「チェレンコフ光」を放射します。チェレンコフ望遠鏡とは、そのチェレンコフ光を捉えて「間接的に」超高エネルギーガンマ線を観測する装置です。
写真中央に位置するのが今回ガンマ線バーストからの信号を検出した主鏡口径28mを有する世界最大のチェレンコフ望遠鏡で、その周りには主鏡口径12mのチェレンコフ望遠鏡が4台設置されています。2002年に運用を開始、現在ヨーロッパ諸国や日本を含んだ13カ国から260人以上の科学者が参加する国際共同研究プロジェクトであり、日本からは立教大学および東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構が参画しています。（High Energy Stereoscopic System（H.E.S.S.）： https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/）
3. 発表論文
・雑誌名：『Nature』
・論文タイトル：「A new very-high-energy component deep in the Gamma-ray Burst afterglow」
・著 者：H.E.S.S. Collaboration et al. (責任著者: Edna Ruiz Velasco, Quentin Piel, Robert Daniel Parsons, Elisabetta Bissaldi, Clemens Hoischen, Andrew Taylor, Felix Aharonian, Dmitry Khangulyan)
・論文タイトル：「A new very-high-energy component deep in the Gamma-ray Burst afterglow」
・著 者：H.E.S.S. Collaboration et al. (責任著者: Edna Ruiz Velasco, Quentin Piel, Robert Daniel Parsons, Elisabetta Bissaldi, Clemens Hoischen, Andrew Taylor, Felix Aharonian, Dmitry Khangulyan)
4. その他
本研究の成果は、JSPS科研費基盤研究（A）「H.E.S.S.望遠鏡とフェルミ衛星による宇宙線加速機構の解明」（研究代表者: 内山泰伸、課題番号: 18H03722）および新学術領域研究「宇宙硬エックス線・ガンマ線検出テクノロジーの異分野への展開」（研究代表者: 高橋忠幸、課題番号: 18H05463）により助成を受けたものです。