私は偶然、これまでに発見された中で最も明るい超新星を指す望遠鏡を持っています – Ars Technica

超新星は、宇宙で最もエネルギーのある出来事の 1 つです。 これらのサブセットにはガンマ線バーストが含まれており、放出されるエネルギーの多くは非常に高エネルギーの光子に由来します。 私たちは、これが一般的に起こる理由を知っていると考えています。爆発で残ったブラックホールは、ほぼ光の速度で物質のジェットを放出します。 しかし、これらのジェットがどこでどのようにして光子を生成するかという詳細は、完全には解明されていません。

残念ながら、これらの出来事はあまりにも速く、あまりにも遠くで起こるため、詳細なメモを取得するのは簡単ではありません。 しかし、BOAT (Brightest Ever Recorded) と呼ばれる最近のガンマ線バーストは、超新星爆発から数日以内の出来事に関する新しい情報を私たちに提供してくれるかもしれません。 新しい論文では、正しい方向を向いており、この出来事からの超高エネルギー放射線に敏感な望遠鏡からのデータについて説明しています。

シャワーを浴びなくちゃ

先ほどの「望遠鏡」は、 高高度にある大エアシャワー観測所 （ラアソ）。 海抜 3 マイル (4,400 メートル) に位置するこの天文台は、伝統的な意味での望遠鏡ではない一連の機器です。 その代わりに、宇宙からの高エネルギー粒子が大気と衝突するときに生成される破片と光子の複雑な連鎖であるエアシャワーを捕捉することになっている。

従来の望遠鏡と比較すると制限はありますが、空気シャワー検出器はボートなどのイベントに関していくつかの利点があります。 彼らは、地球の表面に到達する光子と粒子に基づいてイベントを再構築する必要があるほど、イベントに焦点を合わせる必要がないため、非常に広い視野を持っています。 それらは高エネルギーの出来事にのみ敏感であり、つまり日光は干渉するにはエネルギーが低すぎるため、24時間稼働することができます。

LHAASO は BOAT 超新星が噴火したときにデータを取得していたため、その検出器は現象の始まりを捉えただけでなく、その後数日間その進化を追跡することができました。 空間分解能は低いものの、波長ごとに分離された膨大な量のデータがありました。 最初の 100 分間で、200 GeV を超えるエネルギーで 64,000 個を超える光子が検出されました。 ちなみに、陽子の質量全体をエネルギーに変換すると、1 GeV 未満のエネルギーが得られます。

最初に明らかになったことの 1 つは、より低い (それでも非常に高い) エネルギーの光子と、電磁スペクトルのより端にある光子との間には大きな違いがあるということでした。 TeV を超える光子からのデータは時間の経過とともに滑らかに変化しましたが、メガ電子ボルト範囲の光子からのデータは上下に変動しました。

データを理解する

研究者らは、このデータは、低エネルギー現象が超新星の乱流の破片と相互作用するジェットによって引き起こされるという提案と一致していると示唆している。 この破片は複雑で、ジェットの発生源に近いため、加速する必要があるジェット内の宇宙粒子の量が制限され、エネルギーに上限が設けられることになる。

対照的に、より高エネルギーの光子は、ジェットが超新星の破片を削り取り、星の周囲を構成する物質（おそらく太陽風に相当する恒星によって衝突された粒子）と相互作用し始めた領域で生成される。 これはよりまばらで均一な環境であり、ジェットが乱流の少ない経路で粒子を加速し、TeV よりも高いエネルギーの光子を生成するのに必要な極端なエネルギーを得ることができます。

超新星破片を通り抜けるのは難しいように見えますが、ジェットが粒子を光速近くまで加速するため、このプロセスは非常に早く起こります。 したがって、データ内で TeV 光子の急速な増加を確認するには、わずか約 5 秒しかかかりません。

そこからは約13秒間の緩やかな下り坂になります。 この研究の背後にある研究チームは、これにはジェットが星の残骸を超えた環境内の粒子と相互作用し、加速することが関与していると示唆しています。 これにより、高エネルギー光子の数が増加しますが、同時に、ジェットが環境中を進むときにより大きな物質の山に押し上げられるため、ジェットからエネルギーの一部が消耗します。

最終的に、この物質の蓄積により十分なエネルギーが引き込まれ、高エネルギー光子の数が徐々に減少し始めます。 この低下は十分に遅いため、約 11 分ほど続きます。

BOAT 超新星の場合、これに続いて高エネルギー光子の急激な減少が起こりました。 これは、ジェットが源から遠ざかるにつれて幅が広くなったことが原因であると考えられています。つまり、ジェットの中心核が地面に直接向いていたため、ボートは私たちが観察したのと同じくらい明るかったことを意味します。 この降下のタイミングから、現時点での航空機の幅がどれくらいであるかについての情報も得られます。

これらの出来事についてはまだ学ばなければならないことがたくさんあります。たとえば、そもそもブラックホールがどのようにして物質のジェットを放出するのかはまだわかっていません。 しかし、このような詳細な観測により、ジェット形成のタイミングとダイナミクスについてのより良いアイデアが得られ、最終的にはブラックホール形成とジェット形成中に何が起こるかのモデルを提供するのに役立ちます。

科学、2023 年。DOI: 10.1126/science.adg9328 （DOIについて）。