連星中性子星の合体からの重力波を初検出、電磁波で重力波源を初観測

8月17日、連星中性子星の合体によって発せられた重力波が初めて検出された。直後から世界中の望遠鏡や天文衛星で観測が行われ、初めて重力波源が電磁波でもとらえられた。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」の発生も初めて確認されている。

【2017年10月17日 LIGO／国立天文台／ほか】

今年8月17日、アメリカの2台の重力波検出器「Advanced LIGO」と欧州重力波観測所の重力波検出器「Advanced Virgo」が、重力波の信号GW170817をとらえた。わずか3日前に検出されたGW170814に続く、確実なものとしては5例目となる重力波の検出となる。

観測データの解析から、この重力波は2つの中性子星が合体した際に生じたものであることが明らかになった。中性子星とは半径が10kmほどしかないが太陽ほどの質量を持つ超高密度の天体で、今回の場合は太陽の1.4～2.3倍の質量の中性子星と0.9～1.4倍の中性子星が合体したとみられている。中性子星同士の連星の合体により重力波が発生することは理論的に予測されていたが、検出されたのは今回が初めてだ。これまでの4例の重力波はすべてブラックホール同士の連星の合体によって生じたものだった。

中性子星合体からの重力波検出の情報は即時に世界中の観測グループに伝えられ、その11時間後、複数の望遠鏡がこの重力波に対応すると思われる新しい星を地球から1億3000万光年離れたうみへび座の銀河「NGC 4993」の近傍で独立に発見した。これまで重力波源に対応する天体は可視光線などの電磁波では同定できていなかったが、今回初めて、重力波源からの電磁波の観測に成功したことになる。

その後、約70台の天体望遠鏡や天文衛星が数週間にわたってGW170817の発生源に向けられ、X線、紫外線、可視光線、赤外線、電波と非常に幅広い波長で観測が行われた。

日本の重力波追跡観測チーム「J-GEM (Japanese collaboration of Gravitational wave Electro-Magnetic follow-up) 」も、光赤外線追跡観測をすばる望遠鏡や南アフリカのIRSF望遠鏡、ニュージーランドのMOA-II望遠鏡、B&C望遠鏡などで行った。国際宇宙ステーションの「きぼう」日本実験棟に搭載された「全天X線監視装置（MAXI）」と「CALET」でも、エックス線・ガンマ線天体の探索を行った。

このうち、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ「HSC」は近赤外線観測で天体の急速な減光の様子をとらえ、IRSF望遠鏡とすばる望遠鏡の近赤外カメラ「MOIRCS」は近赤外線の減光の様子を15日間にわたり連続的に追跡した。重力波源の光赤外線対応天体をとらえ、その明るさの時間変化を追跡し、重力波源を電磁波で観測した初めての例である。「世界各地の望遠鏡で日々変化している様子が明らかになった、エキサイティングな観測でした」（広島大学内海洋輔さん）。

すばる望遠鏡で観測された重力波源「GW170817」の様子（提供：国立天文台）

さらに、幅広い電磁波波長域での観測で色や光度の変化を追跡したところ、その変化がシミュレーションで予測されていた「キロノバ（kilonova）」と呼ばれる現象の性質とよく一致していることが確認され、中性子星合体に伴いキロノバが発生することが確かめられた。「GW170817の追跡観測を実施しながら、予想していたキロノバの性質が実際に見えてきたときは非常に興奮しました」（国立天文台田中雅臣さん）。

NGC 4993とキロノバの減光の様子
ハッブル宇宙望遠鏡が可視光線で観測した、銀河NGC 4993で検出された重力波GW170817に対応する天体で起こったキロノバ。6日間で次第に暗くなっていった様子がわかる（提供：NASA and ESA, Acknowledgment: A. Levan (U. Warwick), N. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)）

中性子星同士の合体では、鉄より重い元素の合成過程の一つ「rプロセス」が起こり、それによって宇宙に存在する金や白金などの元素が作られると考えられている。これまで、rプロセスで誕生する元素は主に超新星爆発で作られると考えられてきたが、理解が進むにつれ超新星爆発だけでは説明がつかないことがわかってきており、その起源は謎だった。今回の観測結果は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、中性子星合体でrプロセスが起こる証拠を観測的にとらえたものといえる。

さらに、GW170817の到来から約2秒後に、ヨーロッパ宇宙機関の天文衛星「インテグラル」とNASAのガンマ線天文衛星「フェルミ」が小規模なガンマ線バーストを観測している。これはショートガンマ線バースト（継続時間の短いガンマ線バースト）が連星中性子星の合体から発生するというモデルが正しいことを示すもので、謎に包まれてきたショートガンマ線バーストの起源解明に大きな意味を持つ。

9日間にわたって観測されたGW170817のようすを示したアニメーション動画。（薄い孤）重力波、（赤紫色）ガンマ線を発生させた光速に近い速度のジェット、（紫）キロノバから拡がる残骸、（青白から赤）可視光線、赤外線、（青）X線の波長でとらえた地球の方向を向いたジェット（提供：NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab）

「今回の検出は、天体物理学の研究における新たな手法への扉を開きました。史上最も研究された天体物理学的現象のうちの一つとして、人々の記憶に残ることを期待しています」（LIGO副スポークスマン、ジョージア工科大学 Laura Cadonatiさん）。

「今後、重力波観測チームや世界の他の電磁波観測チームのデータも併せて詳細な研究を進めることによって、いまだに謎の多い中性子星の物理状態やrプロセスについて多くの知見が得られるでしょう。また、日本の大型低温重力波望遠鏡KAGRA（かぐら）が重力波観測網に加わり、より精度の高い重力波観測が実現することが期待されます。今後さらに重力波観測と電磁波観測が協力したマルチメッセンジャー観測を進めることで、宇宙の重元素の起源に迫りたいと考えています」（国立天文台吉田道利さん）。