宇宙飛行士たちは、その瞬間を捉える世界規模の迅速対応プロトコルを使い、ウォルフ・ライエ超大質量星がIIb型超新星として知られる激しい爆発で死ぬ可能性があることを初めて確認した。
星の生と死は宇宙科学者にとって尽きることのない魅力を持つテーマである。なぜなら、この活動によって銀河に生命の構成要素が豊富になるからだ。しかし、多くの星と超新星は未だ謎に包まれている。
壮大な恒星の爆発からの光が地球に届く頃には、その現象はすでに起こっており、天文学者にとってどの恒星がどのようなタイプの超新星を作り出すのかを解明することは困難です。
ウォルフ・ライエ星として知られる宇宙の巨星は、太陽の20倍の質量を持ち、少なくとも5倍も高温であり、最終的には惑星の断片となる重い化学元素を含んでいるため、特に研究対象として魅力的である。
「私たちは、どのような種類の星が爆発し、なぜ爆発し、どのような元素を生み出すのかを徐々に解明しつつあります」と、カリフォルニア大学バークレー校の天文学教授で本研究の共著者であるアレックス・フィリッペンコ氏は述べた。「これらの元素は生命の存在に不可欠です。まさに真の意味で、私たちは私たち自身の星の起源を解明しつつあるのです。」
超大質量星のうち、生涯の最終段階でウォルフ・ライエ級超新星になるのはごく一部であり、比較的稀です。そのため、カリフォルニア州にある中間パロマートランジェントファクトリー（iPTF）のパロマー48インチ望遠鏡がIIb型超新星を発見した際、研究チームはすぐに行動を起こしました。
iPTF チームは常に待機状態にあるため、イスラエルのメンバーの 1 人がこの発見について警告を発し、日の出前にハワイのケック望遠鏡でスペクトル分析を行って別の警告を準備することができました。
「国際緊急対応プロトコルにより、iPTFチームには太陽が昇らないことが保証される」とカーネギー研究所のチームメンバー、マンシ・カスリワル氏は語った。
超新星爆発の際、その閃光によって周囲が電離し、天文学者は爆発した恒星の化学組成を解明する助けとなる。しかし、電離は爆発によって消滅するまでのわずか1日しか続かないため、できるだけ早く望遠鏡をその場に向ける必要がある。
「新たに開発された観測能力により、これまでは夢見ることしかできなかった方法で爆発する星を研究することが可能になりました。私たちは超新星のリアルタイム研究に向けて前進しています」と、イスラエルのワイツマン科学研究所のiPTFチームリーダー、アヴィシャイ・ガル＝ヤム氏は述べています。
超新星爆発は、恒星の中心核が崩壊し、衝撃波が残骸や破片を宇宙空間に運び去るときに発生します。すべての恒星は一生をかけて水素原子を融合させ、ヘリウムを生成しますが、超大質量星は異なります。
恒星の質量が大きくなり、重力が大きくなると、核融合は加速され、最終的には重力崩壊へと至ります。水素が尽きても、超大質量星は炭素、酸素、ナトリウムといったより重い元素の核融合を続け、中心核が鉄に変わるまで核融合反応を続けます。
この段階では、核融合がもはや星にエネルギーを与えないため、星を束ねているのは2つの電子が同じ量子状態を占めることを防ぐ量子力学の法則だけです。しかし、核の質量がさらに大きくなると、それも機能しなくなり、星は崩壊します。
ウォルフ・ライエ段階は、恒星が超新星爆発を起こす直前に起こります。核融合が減速するにつれて、中心核で生成された重元素が地表に上昇し始め、強力な風を発生させます。この風が物質を宇宙空間に放出し、地球上の望遠鏡から恒星を隠します。
「ウォルフ・ライエ星が超新星爆発を起こすと、その爆発は通常、恒星風を凌駕し、祖先星に関するすべての情報が失われます」と、バークレー研究所計算宇宙論センター（C3）の所長であり、iPTF共同研究のバークレー支部を率いるピーター・ニュージェント氏は述べた。
「SN 2013cuは幸運でした。超新星爆発が恒星風を追い越す前に捉えることができたのです。恒星が爆発した直後、衝撃波から紫外線が放出され、それが恒星風を加熱して照らしました。この瞬間に観測された状況は、超新星爆発前の状況と非常によく似ていました。」
iPTFチームは手遅れになる前に、ケック望遠鏡で化学光の特徴を捉え、さらに15時間後にはNASAのスウィフト衛星による観測を続けました。その後数日間、チームは世界中の望遠鏡を使って超新星の観測を行い、可能な限り多くのデータを取得しました。
「この発見は全く衝撃的で、私たちにとって全く新しい研究分野を切り開くものです」とニュージェント氏は述べた。「私たちの最大の望遠鏡を使えば、私たちの天の川銀河に最も近い銀河、おそらく400万光年離れたウォルフ・ライエ星のスペクトルを捉えられるかもしれません。SN 2013cuは3億6000万光年離れており、その距離はほぼ100倍です。」
「理想的には、これを何度も繰り返して、ウォルフ・ライエ型超新星だけでなく、他の種類の超新星についても興味深い統計を作成したいと考えています」と彼は付け加えた。
研究の全文「恒星風のスペクトル観測によるSN 2013cuのウォルフ・ライエ型前駆銀河」は、Nature ®に掲載されました。
