立教大学

太陽質量の約10倍以上の大質量星は、その一生の最期に「重力崩壊型超新星爆発^[5]」と呼ばれる大爆発を起こします。この爆発メカニズムの解明は、宇宙物理学上の超難問といわれ、大規模な理論計算を用いても再現が困難でした。現在では、星が重力崩壊を起こすときに大量に放出されるニュートリノの一部のエネルギーが物質を加熱し、超新星爆発を引き起こすというシナリオが最も有力です。このメカニズムに関する最も重要な手がかりは、1987年に起きた超新星1987A^[6]からのニュートリノの直接観測で得られました。しかし、このシナリオの本質であるニュートリノ加熱を裏付ける観測的証拠はありませんでした。

今回、国際共同研究グループは、超新星残骸カシオペア座A内にニュートリノ加熱時に立ち上る高エントロピー^[7]の上昇流の痕跡を発見し、観測的にこの大質量星の「超新星エンジン」ともいうべき仕組みを明らかにしました。また、私たちの生活に欠かせない金属であるチタンが、超新星爆発時の上昇流内で大量に合成されていることも初めて観測しました。
本研究は、科学雑誌『Nature』オンライン版（4月21日付：日本時間4月22日）に掲載されます。

岐阜県神岡鉱山地下に建設されたカミオカンデ^[8]は1987年2月23日（日本時間）、マゼラン星雲で爆発した超新星1987Aから放射されたニュートリノを初めて検出しました。この研究に対しては2002年にノーベル物理学賞が贈られ、その後、大質量星の爆発メカニズムの理解が大きく前進しました。

そのメカニズムの現在最も有力なシナリオを図1に示します。太陽質量の約10倍以上の大質量星の内部では、進化の最終段階で鉄のコアが形成されます。この鉄のコアは、最終的には星自身の重力を支えきれずに潰れてしまう「重力崩壊」を引き起こします。この潰れたコアの中心では原始中性子星^[9]が形成され、その表面に降り積もる物質が跳ね返されることで、星の外側へ向けて衝撃波が走ります。この反射衝撃波が星の表面まで達すれば、その星は爆発することになります。

しかし、多くの理論計算では、反射衝撃波は星の内部を伝搬する間にエネルギーを失ってしまい、星を爆発させることができませんでした。そこで、提案されたのが「ニュートリノ加熱」によって衝撃波を生き返えらせるメカニズムです。カミオカンデで検出された超新星1987Aのニュートリノは、爆発の中心領域から大量に放出されました。仮に、この超新星ニュートリノの全エネルギーの1％だけでも、ニュートリノ加熱によって周囲の物質に引き渡すことができれば、衝撃波が復活し、爆発が成功することになります。

現在、このシナリオで、世界の複数の理論研究グループが超新星爆発をコンピュータ内で再現することに成功しており、ニュートリノ加熱時に生み出される対流やそれに伴う上昇流などの「非対称効果」が衝撃波を押し上げ、爆発することが分かってきています。このメカニズムは、「ニュートリノ駆動型対流エンジン（超新星エンジン）」と呼ばれています。一方で、このシナリオでは、ニュートリノ観測データから物質と相互作用したニュートリノからの情報を引き出すことはまだできておらず、この超新星エンジンの核心に迫ることができていませんでした。

ニュートリノ加熱で生み出される爆発における対流や上昇流といった非対称効果は（図2左）、超新星残骸を直接観測することで検証できると考えられます。また、その非対称構造の中や周辺は、他の領域に比べてエントロピーの高い環境（高温かつ低密度）にあると予測されています。このような環境では、爆発時に特定の元素が核融合反応^[10]で効率的に合成されます。そのため、もし、ニュートリノ加熱で生み出された非対称構造を超新星残骸内で観測できれば、その元素量から他の領域で合成されたものと区別できます。

そこで、国際共同研究グループは、ニュートリノ駆動型対流エンジンを特徴づける元素であるチタン、クロム、鉄に着目し、超新星残骸「カシオペア座A」の非対称構造からこれらの元素の同時検出を目指しました。カシオペア座Aは、約350年前に爆発した重力崩壊型超新星の残骸で、地球のある天の川銀河に存在しています。米国のチャンドラ衛星で撮られたカシオペア座A のX線画像は非対称に分布する元素を示しており（図2右）、この超新星が非対称的な爆発を経験したと考えられています。特に、東南部（図2右の左下部）には非対称に飛び出た構造が見つかっており、その主成分は鉄であることが2000年初期に指摘されています。鉄は超新星の最深部でのみ大量に合成されることから、この構造は爆発中心部の非対称効果によって外側へ飛び出た可能性が高いと考えられます。そこで、チャンドラ衛星が2000年から2018年の約18年間にカシオペア座Aを観測したデータを総動員し、この構造内の元素を調べました。

その結果、チタン、クロム、鉄などの超新星エンジン周辺で合成される金属元素が、この構造内に同時に存在することを発見しました（図3左）。合成領域内のエントロピーが高くなると、チタンとクロムの量も増えます。観測・理論の両チームで構成される研究グループは、温度や密度の異なるさまざまな超新星内部環境下で合成される元素量を理論的に計算し、観測された元素量と比較しました（図3右）。その結果、この構造内の元素組成は、超新星エンジン周辺で生み出される上昇流による高エントロピー、かつ陽子過剰な環境^[11]で合成されるものとよく一致することが分かりました。

これらの結果から、カシオペア座Aにおける鉄の豊富な構造はニュートリノ加熱によって生み出されたと結論付け、超新星の衝撃波がニュートリノ加熱によって復活した証拠としました。今回の発見により、超新星爆発のニュートリノ加熱の存在が観測的に立証されただけでなく、その爆発中心付近のエントロピーなどの物理パラメータを推定できるようになりました。

本研究により、宇宙物理学の超難問として長年注目されてきた大質量星の超新星爆発メカニズムに、観測の立場からたくさんの情報を提供できるようになりました。同様な方法で、今後、さまざまな理論的課題にアプローチできると考えられます。現在の超新星理論分野では、スーパーコンピュータを用いた大規模計算が必須になっており、なかでも理研のスーパーコンピュータ「富岳^[12]」を用いれば、今後の理論研究は飛躍的に前進すると期待できます。この観測と理論の合わせ技で、宇宙の謎の一つがまた解明される日は遠くないかもしれません。
理研玉川高エネルギー宇宙物理研究室では、次期X線天文衛星「XRISM（クリズム）」を開発中であり、2022年度に打ち上げ予定です。XRISM衛星は現行の数十倍のエネルギー分解能を持つため、チタンやクロムを含むさまざまな希少元素の検出感度が桁違いに向上すると考えられます。超新星残骸の高エントロピー上昇流内では、他にもさまざまな希少元素が存在すると考えられています。この宇宙に存在する"元素工場"の観測から、私たちの身近に存在する元素の起源が明らかになると期待できます。

＜タイトル＞
High-entropy ejecta plumes in Cassiopeia A from neutrino-driven convection
＜著者名＞
Toshiki Sato, Keiichi Maeda, Shigehiro Nagataki, Takashi Yoshida, Brian Grefenstette, Brian J. Williams, Hideyuki Umeda, Masaomi Ono, John P. Hughes
＜雑誌＞
Nature
＜DOI＞
10.1038/s41586-021-03391-9