連星系「VFTS 243」のブラックホールが超新星爆発なしで誕生した仮説を裏付け

太陽よりもずっと重い恒星は、一般的にはその最期に「超新星爆発（II型超新星）」を起こすと考えられています。しかし実際には、全く超新星爆発を起こさずにブラックホールへと崩壊する「完全崩壊（Complete collapse）」を起こす恒星もあると考えられています。

マックス・プランク天体物理学研究所のAlejandro Vigna-Gómez氏などの研究チームは、片方の恒星が完全崩壊に至った可能性が高いと言われている連星系「VFTS 243」について、観測記録とモデル計算を照らし合わせることで、完全崩壊したという仮説が妥当かどうかを検証しました。その結果、VFTS 243のブラックホールは超新星爆発の影響を受けていない、つまり完全崩壊を経験していると考えて妥当であるとする結果が得られました。

今回の研究結果は、実態がよくわかっていない超新星爆発の内部を探る上でVFTS 243がモデルケースとして役立つことを示しています。

【▲ 図1: 恒星とブラックホールの連星であるVFTS 243の想像図。（Credit: ESO & L. Calçada）】 ■超新星爆発を伴わない恒星の「完全崩壊」

質量が太陽の8倍以上ある重い恒星は、「超新星爆発」と呼ばれる非常に劇的なエネルギー放出現象を起こして最期を迎えると考えられています。この時、爆発の中心部には「中性子星」または「ブラックホール」が残されますが、時々100～1000km/sという猛烈な速度で移動するものが生じます。太陽の数倍の質量を持つ天体がこれほどの高速で動く理由は、非対称的で偏った爆発に蹴りだされるようにして運動エネルギーを得るからだと考えられています。この現象を「ネイタルキック（Natal kick）」と呼びます。

一方で、重い恒星が必ず超新星爆発を起こすとは限らず、爆発を発生させずに直接崩壊する恒星もあるのではないかという仮説があります。「完全崩壊」（※）と呼ばれるこのシナリオでは、恒星はほとんど爆発を起こさずに潰れてブラックホールになると考えられます。この場合、ネイタルキックもほとんど発生しないと考えられます。

※…このような現象について「直接崩壊（Direct collapse）」や「失敗した超新星（Failed supernova）」の語を当てる場合もあります。ただし、これらの用語は違う現象を意味する場合もあるため、文脈に注意が必要です。

実際に恒星が完全崩壊を起こすかどうかは、天文学における大きな論争の1つとなっています。完全崩壊で誕生したブラックホールの候補はいくつかありますが、特に注目されているのは2022年に発見された「VFTS 243」と呼ばれる連星系です。地球から約16万光年離れた「大マゼラン雲」の中にあるこの連星系は、片方が太陽の約25.0倍の質量を持つ恒星、もう片方が太陽の約10.1倍の質量を持つブラックホールから成ると考えられています。

観測結果から、ブラックホールの公転軌道はほぼ円形（軌道離心率0.017±0.012）であり、公転軌道の半径もかなり小さいと測定されたことで、VFTS 243のブラックホールは完全崩壊によって誕生したという説が提唱されました。連星系で超新星爆発が起きた場合、ネイタルキックによってブラックホールが蹴りだされるだけでなく、爆発の衝撃によって恒星も動かされます。つまり、普通の超新星爆発で誕生したブラックホールだった場合、観測されたようなほぼ円形で小さな半径の公転軌道を持つ確率はかなり低くなるはずです。

関連項目
・崩壊した恒星から直接形成された可能性があるブラックホールを新たに発見（2022年7月21日）

■VFTS 243のブラックホールは完全崩壊で生じた 【▲ 図2: 今回の研究のシミュレーション結果。ネイタルキックで得られた速度が非常に低速であるパターン（左下のグラフの下側）に点が集中しています。（Credit: Alejandro Vigna-Gómez, et al.）】

Vigna-Gómez氏らの研究チームは、VFTS 243のブラックホールが本当に完全崩壊によって誕生したのかを確かめるために、シミュレーションを実行しました。研究チームは爆発が起こる前の連星系の公転軌道のパラメーター、爆発によって生じるネイタルキックの強さ、エネルギーに変換されて失われる質量について様々な値を仮定し、予想される爆発後の公転軌道と実際の観測値が最も近いシナリオを探索しました。

その結果、超新星爆発が発生せず、ネイタルキックもほとんど生じなかった場合が、VFTS 243の公転軌道を説明できる最も妥当なシナリオである、というシミュレーション結果が得られました。今回の研究ではVFTS 243のブラックホールは最高でも4km/sのネイタルキックしか受けていないと考えられていますが、これは通常のネイタルキックと比べて数桁も低い速度です。

VFTS 243の場合、超新星爆発のエネルギーのほとんど全てが「ニュートリノ」と呼ばれる素粒子の形で逃げ出したと考えられます。もしもニュートリノ以外の物質（陽子や中性子などの “普通の物質”）が関与したとすると、ネイタルキックが大きくなりすぎてしまいます。一方で、 “幽霊粒子” とも呼ばれるニュートリノは他の物質とほとんど相互作用をしない素粒子であるため、極めて小さなネイタルキックを説明できます。

■超新星爆発全般の謎を解く手掛かり

今回の研究は、VFTS 243のブラックホールが超新星爆発を伴わない完全崩壊で生じたことを強く裏付けるものとなった一方で、重い恒星の最期に関する一側面をほんのわずかながら明らかにしたに過ぎません。

超新星爆発で放出されるエネルギーの大半を占めるのは、爆発直前のニュートリノ放出であることが知られています。 “幽霊粒子” であるニュートリノも、爆発直前の恒星中心部のような極端に高密度な環境では頻繁に物質と衝突し、その際に生じた衝撃波が爆発のエネルギーに加わっているのではないかとも考えられています。ただし、これほど極端な環境をシミュレーションするような環境は整っておらず、ニュートリノの発生量や物質との衝突については多くの謎があります。

いずれにしても今回の研究は、VFTS 243のブラックホールが完全崩壊で誕生した可能性が高いこと、太陽の約10倍の質量を持つ恒星は完全崩壊を起こす可能性があることを示した点で、天体物理学の研究における大きな成果と言えるでしょう。さらなる研究で条件面が絞り込まれれば、完全崩壊に限らず、超新星爆発全般の謎を解く手掛かりが得られるかもしれません。

 

Source

Alejandro Vigna-Gómez, et al. “Constraints on Neutrino Natal Kicks from Black-Hole Binary VFTS 243”. (Physical Review Letters) Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tamborra & Kristian Bjørn-Hansen. “Totalt stjernekollaps: usædvanligt stjernesystem viser, at stjerner kan dø i stilhed”. (Københavns Universitet)

文／彩恵りり　編集／sorae編集部