天文学：従来の発生源モデルに疑問を投げかける「変わり種」のガンマ線バースト
Nature Astronomy
Astronomy: ‘Oddball’ gamma ray burst challenges models of origins
NatureとNature Astronomyに今週掲載される合計5報の論文には「変わり種」のガンマ線バーストが記述されている。これは、継続時間の長いガンマ線バーストの一種だが、発生源の点で継続時間の短いガンマ線バーストに近いと考えられている。この知見は、ガンマ線バーストの継続時間の長短が推定発生源の種類によって直接決まるという長年の仮説に反した内容になっている。
ガンマ線バースト（GRB）は、遠く離れた銀河での爆発によって発生するガンマ線光のパルスだ。ガンマ線バーストは、大質量星の崩壊によって生じる超新星に関連した長いガンマ線バースト（継続時間が10秒以上）と2つの中性子星の合体によって発生すると考えられる短いガンマ線バースト（継続時間が2秒未満）の2つのグループに分類されている。ところが、この分類に継続時間と想定発生源が適合しない「変わり種」ガンマ線バーストが観測されたのだ。
Natureに掲載される4報の論文と、Nature Astronomyに掲載される1報の論文では、短いガンマ線バーストと同じ性質を有するが、継続時間の長いガンマ線バーストGRB 211211Aが2021年12月11日に観測されたことが報告されており、このガンマ線バーストが2つのコンパクト天体（中性子星など）の合体によって発生したことが示唆されている。この明るいバーストは、11億光年離れた銀河から発したもので、約1分間継続した。Eleonora Trojaたちの論文では、キロノバ（2つのコンパクト天体が衝突した後に起こる爆発）が原因だったと示唆されている。また、Jillian Rastinejadたちの論文でも同じ結論に達しており、GRB 211211Aについて観測された複雑な光度曲線が、通常は超新星に関連した長いガンマ線バーストでは見られないものであり、天体の合体現象を示している可能性が示唆された。Bin-Bin Zhangたちの論文では、このバースト自体の継続期間が長すぎて、短いガンマ線バーストとして分類できない点が指摘され、ガンマ線放射とキロノバ放射の両方を説明するために、このバーストの新たな前駆天体が提案されている。そして、Alessio Meiたちの論文では、このガンマ線バーストの約16分後に発生し、5時間以上継続した高エネルギーガンマ線放射が報告されており、Meiたちは、これがキロノバによって放出された光子によって発生したと考えている。また、Benjamin Gompertzたちの論文では、ガンマ線バーストGRB 211211Aからの高エネルギー放射が、天体の合体を発生源とするシナリオと一致することを明らかにした。Gompertzたちは、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡とニール・ゲーレルス・スウィフト天文台の複数の機器を用いて5分間にわたってGRB 211211Aを観測し、光速に近い速度で移動する電子によって高エネルギー放射が発生することを発見した。これを説明する1つの仮説によると、これらの相対論的電子が、天体の合体過程で生成される「プロトマグネター」によって加速されてアウトフローになった可能性があるとされる。
以上の知見が合わさることで、変わり種のガンマ線バーストの発生源と性質に関する我々の理解が深まるかもしれない。
A long gamma ray burst that seems to be more like a short gamma ray burst in its origins is described in five papers published in Nature and Nature Astronomy this week. The findings challenge long standing assumptions that the duration of such events can be directly attributed to the assumed source.
Gamma ray bursts (GRBs) are pulses of gamma-ray light produced by explosions in distant galaxies. These events have been classified into two groups: short GRBs (lasting less than two seconds), which are thought to result from the merging of two neutron stars; and long GRBs (lasting for ten seconds or more), which are associated with supernovae — the collapse of a massive star. However, there have been observations of so-called ‘oddball’ GRBs, where the duration and suggested source do not fit with this classification.
Observations of a long GRB that shares all properties but its duration with short GRBs, suggesting that it arose from a merger between two compact objects (such as neutron stars), are reported in four separate research papers published in Nature, and one in Nature Astronomy. A bright burst lasting for around one minute, GRB 211211A, was observed from a galaxy 1.1 billion light years away on 11 December 2021. Eleonora Troja and colleagues suggest it is caused by a kilonova — an explosion that occurs after the collision of two compact objects. Jillian Rastinejad and colleagues come to the same conclusion, and suggest that complex light curves, as observed for GRB 211211A (not usually seen in long GRBs associated with supernovae), may be indicative of merger events. Bin-Bin Zhang and colleagues note that the burst itself is too long to be included in the short GRB population and suggested a new progenitor of this burst to account for both gamma-ray and kilonova emissions. Alessio Mei and colleagues report high energy gamma ray emissions starting around 16 minutes after the GRB and lasting for more than 5 hours, which they propose is produced by photons released by a kilonova. Benjamin Gompertz and collaborators find that the high-energy radiation from gamma-ray burst GRB 211211A is consistent with a merger-driven scenario. They used multiple instruments on the Fermi Gamma-ray Space Telescope and the Neil Gehrels Swift Observatory to observe the event over a 5-minute period, finding that the high-energy emission is generated by electrons moving close to the speed of light. According to one possible explanation, these relativistic electrons may have been accelerated into an outflow by the ‘protomagnetar’ that is created during the merger process.
Together, these findings could improve our understanding about the origin and nature of oddball GRBs.
doi: 10.1038/s41586-022-05327-3
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