Research press release



Astrophysics: In a distant galaxy, colliding neutron stars yield diverse discoveries

2つの中性子星の合体とそれによる重力波と電磁放射の発生から数々の新知見が得られたことを報告する7編の論文が、今週、NatureとNature Astronomyに掲載される。これらの新知見は、宇宙での爆発現象の1つであるγ線バーストの起源や宇宙の重元素の一部の起源など天体物理学の数多くの側面の解明に役立つと考えられる。

地球から4000万パーセク(1億3000万光年)離れた銀河(NGC 4993)で起こった中性子星(既知の星の中で最も高密度で最も小さな星)の合体が、2017年8月17日にAdvanced LIGO(レーザー干渉計重力波天文台)とAdvanced Virgoという2種の干渉計型重力波検出器によって検出された。この現象(GW170817)によって重力波(宇宙の骨組みに生じる「さざ波」とアインシュタインが予測していた)と電磁放射が発生し、その2秒後にγ線バーストが生じた。過去に検出された重力波シグナルは、2つのブラックホールの合体によるものであったため、重力波だけが検出されることが予想されていた。

GW170817はγ線で検出され、そのことは5編のNature論文に報告されており、X線と可視光、赤外光で検出されたことが1編のNature Astronomy論文に報告されている。そして、これらの論文では、GW170817の特性、例えば、色(最初は青く、だんだん赤くなる)と形状も明らかにされた。論文に記述された電磁放射の特性は、連星中性子星の合体によって起こるキロノヴァ(低光度の爆発現象)の一環として物質ジェットが発生するという以前からの予測を裏付けている。また、これらの論文では、宇宙に存在する鉄より重い元素の一部で起源がわからなかったものについて、その主な生成源が中性子星の合体であることが示唆されている。さらに、1編の論文では、キロノヴァに伴うジェットをジェットの軸方向から外れた方向から観測した可能性が非常に高いことが報告されており、これで、γ線バーストが暗く見えることの多いことを説明できるかもしれない。

Natureに掲載された別の論文では、GW170817の特性を用いて、ハッブル定数(宇宙の膨張を表す測定単位)を算定したことが報告されている。GW170817は、ホスト銀河が分かっている重力波現象として初めてのものであり、論文著者は、このホスト銀河の距離を用いて、ハッブル定数をメガパーセク当たり毎秒約70 kmと算定した。この値は、これまでに発表された推定値に近い。

同時掲載のM. Coleman MillerのNews & Views論文には、「GW170817が物理学と天体物理学の数々の分野を大きく進歩させる絶好の機会となっており、今後のキャンペーンで観測されることが予想される数多くの中性子星の合体に対する我々の欲求を刺激している」という結論が示されている。

New insights from a merger between two neutron stars, which produced gravitational waves and electromagnetic radiation, are reported in seven papers published online in Nature and Nature Astronomy this week. The findings shed light on many aspects of astrophysics, including the origins of cosmic explosions known as gamma-ray bursts and of some heavy elements in the Universe.

On 17 August 2017, the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and the Advanced Virgo Interferometer detected the merger of two neutron stars - the smallest, densest known stars - in a galaxy called NGC 4993, located 40 million parsecs (130 million light years) away. The event, named GW170817, produced both gravitational waves - ripples in the fabric of space-time predicted by Einstein - and electromagnetic radiation, and was followed two seconds later by a gamma-ray burst. Previous gravitational-wave signals have come from mergers of two black holes, which meant that only gravitational waves were expected.

GW170817 was detected in gamma-rays and, as reported in five Nature papers and one Nature Astronomy paper, in X-rays, optical light and infrared light. The papers reveal properties of the event, including its colour (blue at first, before it reddened) and geometry. The reported radiation signatures support long-held predictions that double neutron-star mergers eject radioactive material as part of a low-luminosity explosive event known as a kilonova. The studies also suggest that neutron-star mergers are a major source of some of the elements heavier than iron in the Universe, the origins of which have been uncertain. One paper reports that a fast jet of material was probably observed off-axis, which could help to explain why gamma-ray bursts often appear dim.

In a further Nature paper, the authors use properties of GW170817 to measure the Hubble Constant - a unit of measurement to describe the expansion of the universe. GW170817 is the first gravitational-wave event with a known host galaxy. The authors used the distance of the host galaxy to calculate a Hubble constant of about 70 kilometres per second per megaparsec, which is consistent with previous estimates.

In an accompanying News & Views article, M. Coleman Miller concludes, “GW170817 represents a remarkable opportunity to make major progress in multiple fields of physics and astrophysics, and it whets our appetite for the many expected observations of neutron-star mergers in future campaigns.

doi: 10.1038/s41550-017-0285-z

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