これまでで最も遠方の単独の星の観測

大栗 真宗(ビッグバン宇宙国際研究センター 助教)

 


遠方の宇宙までたくさんの銀河が観測されており,その観測から,私たちが属する天の川銀河のような現在の銀河がどのようにしてできてきたかの研究が進められている。銀河は典型的には100億個もの星から構成されており,それらの星の光の集合を銀河として観測している。銀河を真に理解しようとした場合,銀河を構成する星を個別に観測したいが,そのような観測は望遠鏡の限界により,地球から1億光年以下のごく近傍にある銀河に対してのみしかできなかった。

この限界を超える可能性として,重力レンズを利用する方法が考えられていた。重力レンズとは一般相対論により予言される,重力場により光の経路が曲がる現象で,これにより星からの光を虫めがねのように集光し観測することができる。この現象により,理論的には1000倍以上の増光も可能なため,銀河内の単独の星のみを増光して観測することも原理的には可能である。

ハッブル宇宙望遠鏡により観測された銀河団MACSJ1149+2223の画像。右のパネルはイカロスの出現位置の拡大図。2011年に見えていなかったイカロスが2016年に出現していることが分かる。(Credit: NASA/ESA/P. Kelly)

 
私たちはMACSJ1149+2223とよばれる銀河団を観測していて,偶然にもこの現象を発見した。発見された星「イカロス」は,銀河団背後の90億光年離れた銀河にある単独の青色超巨星とよばれる種類の星で,銀河団の重力レンズで最大2000倍以上に増光されたと見積もられた。銀河団の巨大な重力にくわえて,銀河団に属する星がたまたま背後の星と視線方向に一直線にそろうことによるさらなる重力レンズ増光,いわば二重の重力レンズ効果によって過去に観測例のないこのような極端に大きな増光が達成されたのである。

ただ,実は最初からこの現象が単独の星の重力レンズ現象とわかったわけではない。発見当初,チーム内ではその解釈の可能性として,星の爆発現象など他のさまざまな可能性も検討され議論になっていた。発見された天体を特徴づける観測データの取得にくわえて,重力レンズの理論計算による変光パターンの詳細な計算が解釈の決め手となった。発見された未知の現象を,物理法則をもとに解明していったさまは,まさに自然科学研究の醍醐味ともいえる。

また,この理論計算の副産物として, 宇宙の質量の大半を担う未知の物質ダークマターの正体を探る上でもこの単独の星の観測が有用であることがわかった。 たとえば,ダークマターが太陽質量の数十倍の質量のブラックホールから構成されていた場合,重力レンズ増光が飽和して低く抑えられてしまうためにイカロスの観測を説明できない。上記のダークマターモデルは2015年の重力波発見を契機に盛んに研究されていたが,今回の観測によって棄却することができる。

本研究成果は,Kelly et al., Nature Astronomy, 2,334-342(2018)に掲載された。

(2018年4月3日プレスリリース)

理学部ニュース2018年7月号掲載



学部生に伝える研究最前線>

 

 

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