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中性子星合体からの重力波初検出と重力波天体が放つ光の初観測
---日本の望遠鏡群が捉えた重元素の誕生の現場---
キップ カンノン（ビッグバン宇宙国際研究センター 准教授）
茂山 俊和（ビッグバン宇宙国際研究センター 准教授）
諸隈 智貴（天文学教育研究センター 助教）
発表のポイント
- アメリカの2台のレーザー干渉計型重力波検出器（注1)（LIGO：Laser Interferometer Gravitational wave Observatory 図1)とフランス・イタリアなどヨーロッパの6か国が参加するレーザー干渉計型重力波検出器（Virgo）の計3台が、2つの中性子星（注2)が合体した際に放出された重力波（図2）を初めて検出しました。そのアラートを受けた日本の電磁波追観測グループにより追観測され、重力波源の電磁波での対応天体が初めて検出されました。
- 地球上に豊富に存在し、日常生活にも馴染みの深い、鉄より重いrプロセス元素（注3)（金やプラチナなど）の起源はこれまで不明でしたが、今回の研究成果は、その生成現場を捉えたことを強く示唆するものです。
- 今後は、より多くの中性子星合体（注4)の検出を進めることで、このような現象の頻度を決める必要があります。また、重力波を発する天体を電磁波で追観測する体制が機能することがわかりました。これから、本格的な重力波天文学が始まると期待されます．KAGRA望遠鏡も稼働し始めると、重力波の到来方向の精度も向上するので、今回のように電磁波で重力波源を捉える確率は上がります。
図1：アメリカの2ヶ所にあるLIGO重力波望遠鏡
図2：コンピュータシミュレーションによるGW170817からの重力波の波形(T. Dietrich, et al., LIGO-G17-2--3)
発表概要
2017年8月17日 LIGO-Virgo共同チームは世界中にある70以上の天文台にアラートを流しました。今回の重力波信号はこれまで受信したことのない二つの中性子星がお互いの重力に引かれて回りながら近づき合体したことを示していました。重力波信号のデータを自動的に解析・検出するシステムを中心になって開発した東京大学大学院理学系研究科附属ビッグバン宇宙国際研究センターのキップ・カンノン准教授は「そのシステムからのアラートが都心で夕食をとっている時にスマホに送られてきました。すぐさま、合体した星の質量と信号の信頼性を確認しました。そして、ウェブで詳細なデータを確認しフェルミガンマ線望遠鏡がガンマ線を検出したのを知った時、何か重要なことが起こったことを実感しました。」と話します。実際、重力波が地球を通過した2秒後にガンマ線の微かな閃光が地球を周回している二つの観測衛星によって検出されました。「即座に私たちが何か新しい、今まで観測したことがない何かを見たのだと実感しました。想定外でした。」
重力波を放つ天体からの電磁波はこれまで検出されたことがありませんでしたが、今回のGW170817に対する、世界中で行われた様々な波長での観測で初めて捉えることができました。日本の光赤外線観測グループJ-GEMでも可視光・近赤外線での観測を行い、その明るさの時間変化の様子を捉えることに成功しました。重力波の信号から得られる情報と合わせて考えると、この現象は、2つの中性子星という非常にコンパクトな星の合体現象であったこと、その合体においてrプロセス元素と呼ばれる、鉄より重たい元素が生成されたことが明らかになりました。今後、重力波・電磁波の両面から観測が進むことによって、宇宙における重い元素の起源が明らかになると期待されます。
発表内容
重力波は、今から約100年前にアインシュタインが一般相対性理論に基づいてその存在を予言した、重力による空間の歪みが光速で伝わる現象です。2015年9月14日、米国の重力波望遠鏡Advanced LIGO（Laser Interferometer Gravitational Observatory）が、遂に人類初の重力波直接検出に成功し、この功績を讃えて、2017年のノーベル物理学賞にはLIGOを率いた研究者が選ばれました。
2017年8月17日、 Advanced LIGOとヨーロッパの重力波望遠鏡Advanced Virgoによって発見された重力波源GW170817の信号は6分以上続きました。この長い継続時間と信号の特徴から、重い方の星の質量は太陽質量の1.36から2.26倍、軽い方の星の質量は太陽質量の0.86から1.36倍という制限がつきました。これにより合体した星はブラックホールのように重い天体ではなく、中性子星という非常に高密度でコンパクトな星であることが示唆されました。また、信号の強さから距離も推定でき、およそ1億3000万光年であることがわかりました。重力波検出から2秒後にはFermiガンマ線観測衛星がガンマ線の閃光をこの天体から観測しました。カンノン准教授は「この発見で日本が建設中のKAGRA重力波望遠鏡への期待が変わりました」と話します。「重力波望遠鏡は性能が同じくらいの複数の望遠鏡が揃って初めて使い物になると思っていましたが、今回、観測し始めたばかりでLIGO程の性能をまだ発揮していないVirgoからの情報も、電磁波の対応天体の特定に役立ちました。つまり、KAGRAも完成直後からこのような大発見に参加できる可能性を期待できるのです。」
このイベントまで、重力波望遠鏡がこれまでに検出してきた重力波は全てブラックホール同士の合体からのものでした。宇宙を電磁波で観測する研究者が、次に重力波望遠鏡に期待していたのは、「電磁波を放出する天体現象からの重力波の検出」であり、「その天体現象からの重力波を自らの望遠鏡で検出する」ことが次の研究の目標でした。そして、この目標は、重力波の初検出からわずか2年後に達成されることになりました。
LIGO、Virgo重力波望遠鏡計3台による2017年8月17日の重力波源「GW170817」の検出の報告を受け、日本の重力波追跡観測チームJ-GEM（Japanese collaboration of Gravitational wave Electro-Magnetic follow-up）はGW170817の光赤外線追跡観測を行いました。その結果、重力波源の光赤外線対応天体を捉え、その明るさの時間変化を追跡することに成功しました(図3)。これは重力波源が電磁波で観測された初めての例です。
図3：日本の重力波追跡観測チームJ-GEMが撮影した重力波源GW170817。うみへび座の方向にある銀河NGC 4993で発見され、地球からの距離は約1億3000万光年。ハワイのすばる望遠鏡のHSCによる可視光線観測（zバンド：波長 0.9マイクロメートル）と、南アフリカのIRSF望遠鏡のSIRIUSによる近赤外観測（Hバンド：波長 1.6マイクロメートル、Ksバンド：波長 2.2 マイクロメートル）を3色合成したもの（青：zバンド、緑：Hバンド、赤：Ksバンド）。2017年8月24日-25日の観測では、天体が減光するとともに赤い色を示している（近赤外線で明るく光る）ことが分かる。（クレジット：国立天文台/名古屋大学）
今回の重力波は、南の方向だった上に、太陽に近い方向からやってきたため、日本からの観測は非常に困難でしたが、J-GEMが世界中に展開している望遠鏡群を使って精力的な追観測を行い、中性子星合体からの電磁波を検出することに成功しました。日が経つにつれ、日没から天体が沈むまでの時間が徐々に短くなる中、事前に綿密に観測計画を練り、1分たりとも無駄にしない観測を行うことにより、約2週間にわたって良質な観測データを取得することに成功しました。
重力波信号の特徴から、GW170817は中性子星同士の合体であることが示唆されていましたが、観測された光赤外線放射の特徴は、理論的に予測されていた中性子星合体に伴う電磁波放射現象「キロノバ」によるものとよく一致していました。今回の観測結果は、鉄より重い元素を合成する過程の一つである「rプロセス」を伴うキロノバ放射の理論予測とよく一致しており、宇宙におけるrプロセス元素合成現場を捉えたことを強く示唆するものです。
東京大学・天文学教育研究センターでは、6名の研究者(諸隈智貴助教、本原顕太郎准教授、大澤亮特任助教、土居守教授、酒向重行助教、山口正輝特任研究員)がJ-GEMに所属し、精力的に研究活動を進めています。諸隈智貴助教は、最初の検出となった重力波GW150914の電磁波対応天体探査観測（注5)をリードし、東京大学・木曽シュミット望遠鏡やすばる望遠鏡Hyper Suprime-Camでの探査観測に尽力しています。また、酒向重行助教をプロジェクト責任者として、木曽シュミット望遠鏡(長野県)の新広視野カメラTomo-e Gozenの開発を進めており、来年後半の重力波観測再開までの完成を目指しています。
重力波検出と電磁波追観測の今後の展望
今回観測されたGW170817では、重力波望遠鏡と光学赤外線望遠鏡とを組み合わせることで、重力波を放つ天体の一つである、中性子星合体からの電磁波について多くの知見を得ることができました。今回の現象では、LIGOのふたつの望遠鏡とVirgo望遠鏡で観測できたおかげで、重力波のやってきた方向を決めることができました。日本に建設されるKAGRAの観測が始まると重力波望遠鏡の国際ネットワークによってさらに方向決定精度を上げることが期待でき、今回達成された重力波天体の電磁波での性質の調査もさらに進むことでしょう。また、東京大学では、105cm木曽シュミット望遠鏡に取り付ける超広視野CMOSカメラTomo-e Gozenを開発中です。次回の重力波観測では、Tomo-e Gozenの超広視野観測能力を生かして、重力波天体の放つ可視光線を素早く観測し、その性質の解明を進めたいと考えています。
この研究は、科学研究費助成事業新学術領域研究「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」、および同「重力波物理学・天文学：創世記」の全面的な支援の下で行われました。また、以下の事業・機関からもサポートを受けています。
「大学間連携による光・赤外線天文学研究教育拠点のネットワーク構築事業」、トヨタ財団 (D11-R-0830)、三菱財団、山田科学財団、井上科学振興財団、大学共同利用機関法人自然科学研究機構 若手研究者による分野間連携研究プロジェクト、the National Research Foundation of South Africa、科学研究費補助金 (JP17H06363、JP15H00788、JP24103003、JP10147214、 JP10147207、JP16H02183、JP15H02075、JP15H02069、JP26800103、JP25800103)。
なお、本リリースは、自然科学研究機構 国立天文台より主導発表された、「重力波天体が放つ光を初観測―日本の望遠鏡群が捉えた重元素の誕生の現場―」について、東京大学の貢献をまとめたものです。
共同発表先リンク：
国立天文台，国立天文台 ハワイ観測所（すばる望遠鏡），国立天文台 天文シミュレーションプロジェクト（CfCA），
甲南大学，鹿児島大学
発表雑誌
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雑誌名 日本天文学会欧文研究報告（Publications of the Astronomical Society of Japan） 論文タイトル 1. "J-GEM observations of an electromagnetic counterpart to the neutron star merger GW170817"
2. "Kilonova from post-merger ejecta as an optical and near-infrared counterpart of GW170817"
著者 1. Yousuke Utsumi*, Masaomi Tanaka, Nozomu Tominaga, Michitoshi Yoshida, Sudhanshu Barway, Takahiro Nagayama, Tetsuya Zenko, T., Kentaro Aoki, Takuya Fujiyoshi, Hisanori Furusawa, Koji S. Kawabata, Shintaro Koshida, Chien-Hsiu Lee, Tomoki Morokuma, et al.
2. Masaomi Tanaka*, Yousuke Utsumi, Paollo A. Mazzali, Nozomu Tominaga, Michitoshi Yoshida, Yuichiro Sekiguchi, Tomoki Morokuma, et al.
DOI番号 1. Utsumi et al. = 10.1093/pasj/psx118
2. Tanaka et al.= 10.1093/pasj/psx121
論文URL 1. https://academic.oup.com/pasj/article/4554238/J-GEM-observations-of-an-electromagnetic
2. https://academic.oup.com/pasj/article/4554239/Kilonova-from-post-merger-ejecta-as-an-optical-and
用語解説
注1 レーザー干渉系型重力波検出器
二本の腕の長さの変化をレーザー光の干渉を利用して精密に測ることで重力波信号を検出します（図1）。↑
注2 中性子星
太陽ほどの質量を持ちながら、半径が10キロメートル程度の高密度天体。その密度は 1立方センチメートルあたり10億トンにもなります。太陽の8倍以上の質量を持つ重い星が最期に超新星爆発を起こした後に残骸として中性子星が形成されます。↑
注3 rプロセス元素
鉄などの原子核に中性子が捕獲されて鉄よりも重い原子核が形成される反応を中性子捕獲反応と呼びます。中性子捕獲には反応の速さによって二種類あり、ゆっくり進む反応が「sプロセス」、素早く進む反応が「rプロセス」と呼ばれています。sプロセスは主に年老いた恒星の内部で進むということが分かっており、バリウムや鉛などの元素を効率よく合成します。一方で、rプロセスは金やプラチナなどの元素を合成します。↑
注4 中性子星合体
連星系を成している二つの中性子星は、重心の周りをお互いの重力で引き寄せられながら回転しています。このような系からは重力波を放出されていることがわかっていて、長い時間をかけて徐々に近づいていきます。そして最後に合体をする瞬間、非常に強い重力波を放射することが予想されていました。合体後にはより重い中性子星が残るか、合計質量が大きすぎるとブラックホールになってしまいます。↑
注5
2015年9月14日に重力波が世界で初めて直接検出され、J-GEMグループでは、東京大学・木曽シュミット望遠鏡およびニュージーランドのB&C望遠鏡を用いた探査観測を実行しました。後に、この重力波はブラックホール同士の合体から放射されたものであり、強い電磁波は放射しないことが明らかになりました。 ↑
論文タイトル: J-GEM follow-up observations to search for an optical counterpart of the first gravitational wave source GW150914
URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/2016PASJ...68L...9M
―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―
