[비즈한국] 人の人生で最も特別な瞬間を二つ挙げるとすれば、誰が何と言おうと「生まれる日」と「この世を去る日」だろう。星の人生も同じだ。星も私たちのように生まれ、そして死ぬ。ジェイムズ・ウェッブやハッブル、あらゆる宇宙望遠鏡は、星たちの輝かしい誕生と死の現場を狙っている。星の誕生と死が繰り広げられる場所は、間違いなく望遠鏡で見ることのできる宇宙の中で最も美しい光景の一つだ。
1990年に初めて軌道に乗ったハッブル宇宙望遠鏡は、すでに34歳を迎えた。人間に例えれば、もう決して若くない年齢だ。3分の1世紀にわたる長い歳月の間、宇宙を観測してきたおかげで、今やハッブル宇宙望遠鏡は宇宙が変化する様子まで見せてくれる。数年にわたって同じ星を観測した画像を繋ぎ合わせると、まるでGIF動画を見るかのように、何かの形や位置が変化する様子を確認できる。
もちろん、星たちの人生は人間に比べると非常にゆっくりと進む。星の寿命は数千万年から数十億年に達する。そのため、わずか30年ほどの短い時間で有意な変化を見ることは非常に難しい。しかし、星の誕生と死の瞬間は、星の生涯の中で最も極端な瞬間である。普段は非常にゆっくりと穏やかに生きている星たちも、その時は最も激しく荒々しい姿を見せる。ハッブル望遠鏡でも十分に有意な変化を感知できるほど、星たちは急速に変動する。最近、ハッブルが観測したその美しい姿が公開された。
みずがめ座の方向に1000光年離れた場所に「みずがめ座R星」がある。2014年から2023年までの約9年間、ハッブル宇宙望遠鏡で観測したデータを集め、この星から四方八方へ吹き飛ばされるエネルギー・ジェットの存在を確認した。ここは、すでに進化を終えた白色矮星と、真っ最中に進化している巨大な赤色巨星がペアを組んだ連星である。特に、重い星が白色矮星のロッシュ限界の内側まで近づきすぎることで、星の質量が白色矮星の方へ急速に引き寄せられている共生連星（symbiotic binary）だ。
白色矮星へ向かって赤色巨星の物質が大量に吸収されることで不安定になった白色矮星は、両側に長いエネルギー・ジェットを形成する。星の周囲を包んでいた星雲が強力なジェットによって吹き飛ばされ、周囲に独特な形の星雲と残骸を作り出す。この連星を成す二つの星は、お互いの側を約44年周期で周回している。互いに軌道を回る中で距離が近づくたびにジェットが強まり、星がさらに明るく増幅される現象が繰り返されている。ハッブルが9年間ずっと撮影した写真を見ると、星雲の中心で変動しながら明るさが変化し、同時に四方へ物質が広がっていく様子を、まるでリアルタイム映像のように確認できる。
時折、激しく物質が噴出して、まるで星が爆発したかのように見える新星が目撃されることもある。ただし、実際にみずがめ座R星の位置で公式に新星爆発が記録されたことはない。930年頃、日本の天文学者がこの星の位置で新星と疑われる記録を残してはいるが、確かではない。今回のハッブル宇宙望遠鏡観測を通じて把握したジェット噴出の流れを逆算すると、約1100年前に強力な爆発があった可能性がある。中心の赤色巨星は1年の間に最大750倍まで明るさが増幅し得るため、それほどであれば当時でも十分に肉眼で見ることができたはずだ。そして、最大数ヶ月かけて徐々に明るさが暗くなりながら、長く人々に記録された可能性がある。
揺れ動く連星だけでなく、一つの星が爆発して消える超新星爆発は、さらに見逃せない強力な現象だ。遠距離からでもその光を見ることができる。古くから人類の歴史には、時折目撃された超新星の記録が残っている。1181年、中国の天文学者たちは現在のカシオペヤ座がある方向付近で、突然現れたかすかな星を発見した。それまで見えなかったのに、突然ひょっこりとやってきた客人のように登場した、いわゆる客星だった。
21世紀になり、天文学者たちは過去の中国の記録に残るこの超新星が残した跡を探し回った。今から約850年前に超新星爆発があったのなら、今はその残骸がどこかに残っているはずだ。天文学者たちは、現在は引退した赤外線宇宙望遠鏡WISEのデータを市民の助けを借りて探索する市民科学プロジェクトを行った。プロジェクトに参加したアマチュア天文学者のダナ・パチック（Dana Patchick）は、カシオペヤ座付近で新しいガスの残骸を発見した。彼が30番目に発見した天体であることから「Pa 30」と名付けられたこの天体は、1181年の歴史に記録された超新星爆発の残骸であると推定される。
最初Pa 30が発見された時、天文学者たちは比較的軽い星が死んで残した惑星状星雲程度だと考えていた。しかし、その姿があまりに独特だった。内側から外側へ四方八方に真っ直ぐ伸びる、長い触手のような姿だった。また、中心には極端に熱い白色矮星が住んでいる。白色矮星の表面温度は20万度に達する。わずか5000～6000度である太陽の表面に比べ、ほぼ40倍も熱い。これは、これまでに発見された星の中で最も熱いレベルだ。中心の星の外へ向かって秒速1万6000kmという非常に速い速度で物質が広がる膨張が観測されている。ここが強力な爆発で広がっている超新星残骸であることを示している。
しかし、ここが本当に超新星爆発の現場であれば、重要な疑問が浮かぶ。どうやって爆発後も中心の白色矮星が破壊されず、完全に生き残っているのだろうか？
天文学者たちは、非常に稀な種類であるIax型超新星だと推定している。これは重い星が一つだけで崩壊して弾けるのではなく、二つの白色矮星が互いに衝突して弾けると言われている。このような爆発は中心に非常に巨大な超巨大白色矮星を残すため、星が爆発しても完全に破壊されず、一部が生き残ることができる。そのため、死んでいない星という意味で「ゾンビ星」と呼ぶこともある。ゾンビ星は非常に不安定だ。四方へ強力な恒星風を吐き出しているはずだ。天文学者たちは、この星がいつかもう一度超新星爆発を起こす可能性があると推定している。
Pa 30からはニッケル成分も検出される。ニッケルの存在は、なぜ中心の星が圧倒的に高い温度を維持しているのかを説明できる。ニッケルの不安定な放射性同位体が崩壊しながら膨大な熱を生み出している可能性があるからだ。ただし、一つ重要な問題がある。ニッケルの同位体が放射性崩壊するのにかかる半減期は、わずか6日程度だ。したがって、通常であればニッケルの同位体は長く生き残れず、すぐに消えてしまうはずだ。しかし、圧倒的に高い圧力が維持されている崩壊した白色矮星であれば、ニッケルの同位体が維持され続ける可能性がある。崩壊したニッケルが次々と他の電子を捕獲しながら、数世紀にわたって持続的に崩壊を続けることができるからだ。
最近、天文学者たちはハワイのケック望遠鏡を活用したCosmic Web Imager (KCWI) 観測を通じて、Pa 30超新星残骸をより詳細に観測した。興味深いことに、この触手構造は、最初に四方へ飛び出した後、今まで特に速度が落ちることなく、高速で広がり続けているようだ。まるで四方へ弾道ミサイルを放ったかのように、物質が広がっている。遠い昔、中心から非常に大きく重い物質が直接発射された際に残った痕跡ということだ。
この映像は、最近の観測結果に基づき再構成した超新星残骸Pa 30の3Dモデルである。特に天文学者たちは、赤外線領域で確認された分光データに基づき、各触手がどの方向に、どれほど速く広がっているかを分析した。これを通じて、私たち地球に向かってくる触手と遠ざかる触手を確認し、これを3D立体として具現化した。四方へ長く伸びる多様な触手の真ん中に、まだ死なずに残っている熱い白色矮星が塊となって存在している。四方へ伸びる触手の物質は、約800年前からそれぞれ一方向へ向かって真っ直ぐに飛んでいる。触手が広がる速度と方向を逆算した結果、四方へ広がっている物質が中心に集まる時点は、およそ1151年±75年である。つまり、1151年頃に実際に超新星爆発が起きたことを意味する。中国の文献に記録された時点とよく一致する。
今回の追加観測は、もう一つの興味深い事実を示している。まず、超新星残骸の真ん中には、比較的物質が少ない空洞が存在する。触手を描きながら広がっている物質は、最初から超新星残骸の正確な真ん中で広がり始めたのではない。少し中心から外れた地点から広がり始めた。厳密に言えば、かつて元の白色矮星があった場所から広がったわけではない。中心の超新星爆発が起こり、その領域を包んでいた一種の殻構造が拡張しながら、四方へ非常に強力な弾道的放出が起こったと推定する。
一方、触手を描いて広がっている弾道の速度と、四方へ広がっているガス残骸自体の速度にも大きな差が発見された。中心の白色矮星から放出されるガス物質は、秒速16000kmという非常に速い速度で広がっているのに対し、四方へ長い触手を描きながら広がる物体の速度は、その10分の1にも満たない秒速600～1000kmに留まっている。これは、弾道的放出を受けた物体が、通常のガス物質よりも質量がはるかに重いためだと考えることができる。ただし、その「砲弾」の正体が正確に何であるかを特定するのは難しい。
さらに興味深いのは、今回の3D立体地図を描くために把握した速度分布を見ると、この弾道的放出の速度分布が完全に対称的ではないという点だ。四方へ広がる触手の速度は、方向によって40%ほどの差がある。特定の方向へより速く物質が放出される、かなり非対称な爆発だったようだ。
驚くべきことに、古代の人類が何かを目撃して興味深く記録した、まさにその場所の夜空を今再び鮮明な望遠鏡で眺めると、遥か昔に爆発した残骸や痕跡を見ることができる。人類にとっては数十世代も経た、非常に長い間隔を置いて起きた事件だったが、天文学的に見れば、私たちは千年もの間、同じ一つの現象を眺め続けているようなものだ。遠い昔に爆発が起き、今もその残骸が宇宙空間へ広がっている。私たちは1000年前の祖先たちと、一つの星の爆発で繋がっている。同じ場所で弾けた同じ星は、今も千年を超えて地球に住んでいる人類に驚きを与えている。
特に星の死と誕生は、宇宙で最もダイナミックな瞬間だ。通常、数千万～数億年スケールで起こる他の現象と異なり、星の死と誕生は、比較的人間的な数十～数百年のスケールで変化が起こる。だからこそ、人類が少しだけ忍耐力を発揮すれば、十分にリアルタイムで変化する宇宙の姿を確認できるのだ。
参考
https://www.keckobservatory.org/dandelion-supernova/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad713b
https://esahubble.org/videos/v-r-aquarii_1/
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛している。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。