2つの中性子星の衝突

2つの死んだ星が衝突して金を生み出し、1億3000万年後に地球で「聞かれ」、そして「見られた」物語

ステップごとに

2つの中性子星

それぞれ、重い星の中心核が超新星爆発でつぶれたあとに残ったものです。太陽より大きな質量が都市ほどの大きさの球に押し込められ、そのほとんどが中性子でできています。重力がとても強いので、裏側から出た光も曲がってこちらへ届き、実際より4分の1ほど大きく見えます。

それぞれ別の超新星爆発で生まれましたが、2つは結びついたままでした。それ以来軌道は縮み続け、ここでは残り1時間ほどです。2つがあるのは、うみへび座の銀河NGC 4993です。

空間のさざ波

回りながら、2つは空間そのものを揺らします。重力波が光の速さで広がり、空間をある向きに引き伸ばし、別の向きに縮めます。1周で2回です。

重力波はエネルギーを運び去り、そのエネルギーは軌道から奪われます。そのため2つの星は近づき、速く回るようになります。中性子星は、合体が最初に聞かれたブラックホールよりずっと軽いので、重力波は弱く、らせんもずっとゆっくりです。

ここでは重力波を軌道面に描いています。空間が伸びるところは金色、縮むところは青です。この段階では1秒に6回上下し、1つの波の長さは約5万 km、地球の幅の4倍です。

どんどん速く

時間を早送り:次の1時間で、2つの星の距離は1000 kmから400 kmまで縮まり、1秒に12回転まで速くなります。重力波は今や、LIGOとVirgoが聞けるほど速くなりました。

近づくほど動きは速く、重力波は強くなるので、軌道はどんどん速く縮んでいきます。ここから星に残された時間は100秒。その間にさらに2000回近く回ります。

重力波の音の高さは、軌道の1秒あたりの回転数の2倍です。1秒に24回の振動になったとき、2つの星は、アメリカにあるLIGOの2台の検出器とイタリアのVirgoが聞ける範囲に入りました。これらは1秒に約10回から数千回の振動の波をとらえます。

最後の100秒

時間を早送りし、次にスローに:最後の100秒で、2つの星は400 km離れたところからほとんど触れ合うまで近づき、重力波の音の高さは1秒に24回から1000回以上へと上がります。

これがLIGOとVirgoが聞いたものです。約100秒にわたる何千回もの振動が、だんだん高く強くなっていきます。ブラックホールの合体が聞かせた一瞬よりはるかに長いチャープです。音に変えると、鳥のさえずりのように高まっていきます。

長いチャープのおかげで、星の質量を精密に量れました。音の高さが上がる速さを決める質量の組み合わせは、太陽質量の1000分の1の精度で太陽1.19個分。一方、それぞれの質量はそれほど正確ではなく、星がゆっくり自転しているとすれば(そうである可能性が高いのですが)太陽1.46個分と1.27個分です。

引き裂かれる

約2000倍のスローモーション:互いの引力で引き伸ばされた2つの星が、光速の40%で触れ合います。潮汐力が星から物質の腕を引きちぎり、光速の4分の1にも達する速さで放り出します。

それぞれの星の近い側は、遠い側よりも相手に強く引かれ、最後の数回転で潮汐力が星をゆがめます。衝突すると外側の層が引きはがされ、回転する庭のスプリンクラーの水のように、2本の曲がった腕となって放り出されます。

2つがぶつかる場所では、衝撃が物質を押しつぶして数千億度にまで熱し、さらに多くの物質が噴き出します。最も速いのは極の方向です。ここで本当に何が起きているかはスーパーコンピューターのシミュレーションでしかわからず、描いた形はそれを大まかになぞっただけです。

重すぎて長くはもたない

2つは、太陽約2.7個分の、1秒に何百回も自転する1つの星になります。重すぎて長くは自分を支えられず、残骸の円盤に囲まれたブラックホールへとつぶれていきます。

はじめは、速い自転と熱だけが合体した星を支えています。これまでに見つかった最も重い中性子星でも太陽2個分を少し超える程度で、この衝突の光は、合体した星が1秒もたたないうちに直径約15 kmのブラックホールへとつぶれたことを示しています。

まわりを回り続けるガスは熱く厚い円盤をつくり、ブラックホールがそれを約1秒でのみ込むか、吹き飛ばします。ここでは時間をはじめスローに、その後早送りにしています。放り出された物質の雲は、星とブラックホールが見えるよう透明に描いています。

ガンマ線のジェット

その軸に沿って、細いジェットがほぼ光速で噴き出します。ここで紫色に描いたそのガンマ線は、重力波の1.7秒後に地球に届きました。

ジェットは、おそらくブラックホールの自転と円盤の磁場によって駆動されています。先に放り出された物質を突き破って進まなければなりませんでした。そのガンマ線は、どんな目にも見えないほどエネルギーが高く、天文学者がショートガンマ線バーストと呼ぶ短い閃光になります。

NASAのフェルミ衛星がこれをとらえました。GRB 170817A、長さ約2秒です。ジェットがこちらを向いていなかったので、ふつうより暗いものでした。のちの電波画像で、ジェットは約20度ずれた方向を向いていたことがわかりました。1億3000万年の旅のあと重力波の1.7秒後に届いたことで、重力が光速で伝わることが10¹⁵分の1の精度で示されました。

キロノバ

時間を早送り:放り出された、地球約2万個分の物質は、その中の新しい重い元素が崩壊するにつれて輝きます。この輝き、キロノバは、太陽何億個分もの明るさで光りました。

新しくできた原子は不安定で、何時間、何日もかけて崩壊し、雲を内側から熱します。白色矮星の表面での爆発である新星(ノバ)の約1000倍明るいので、2010年にキロノバと名づけられました。これは人類が初めて見たキロノバでした。

衝突の11時間後に初めて見つかったとき、キロノバは太陽約2億7000万個分の明るさで輝き、すでに暗くなりはじめていました。最初の数時間は観測されていないので、ここではモデルに従っています。色は青白く、温度は約1万度で、光速のほぼ3分の1で膨らんでいました。

金とプラチナ

日々を早送り:青白から赤へと冷え、暗くなっていきます。その光は、鉄より重い元素がつくられていることを示しています。ストロンチウムが見つかり、金やプラチナもできました。

衝突後の最初の1秒、放り出された物質は中性子がとても豊富だったので、原子は崩壊するより速く中性子を取り込み、鉄よりはるかに重い元素を組み上げていきました。これを速い過程、r過程と呼びます。鉄より重い元素のおよそ半分がこうしてつくられると考えられています。

金やプラチナと一緒にできるランタノイドという重い原子は青い光をさえぎるので、雲が薄くなるにつれて光は赤く、やがて赤外線になっていきます。2019年、その光の中にストロンチウムが見つかりました。金がどれだけできたかはあまり確かではなく、地球の質量の数倍から数百倍まで、見積もりに幅があります。

地球からの眺め

2017年8月17日12時41分(協定世界時)、重力波が地球を通り過ぎ、1.7秒後にガンマ線が届きました。11時間後、チリの望遠鏡が銀河NGC 4993に新しい光を見つけました。

LIGOの2台の検出器とVirgoは協力して、発生源をうみへび座の、月の面積の約130倍の空の範囲、距離約1億3000万光年にまで絞り込みました。世界中の望遠鏡が、暗くなるとすぐにそこの銀河を探しました。

最初に見つけたのは、チリのラスカンパナス天文台のスウォープ望遠鏡でした。NGC 4993の中心近くの新しい光の点です。数日のうちに、7大陸すべてと宇宙の約70の天文台が、ガンマ線から電波までこれを観測しました。ここでの銀河は簡単なモデルで描いています。

聞かれ、そして見られた

同じ出来事が、重力波で「聞かれ」、光で「見られた」のは初めてでした。宇宙の金の多くがどこでつくられるのかを示したのです。

中性子星の衝突がショートガンマ線バーストを起こし、重い元素を生み出すこと、そして重力波が光速で伝わることが証明されました。重力波の強さから距離が、銀河が遠ざかる速さから、宇宙の膨張の速さを測る新しい方法が得られました。

数日後にはX線が、続いて電波が現れました。ジェットの残光で、何か月も明るくなり続けました。2019年には別の中性子星のペアの衝突も聞かれましたが、光は見つかりませんでした。2025年の時点でも、聞かれ、かつ見られた衝突はこれだけです。

2つの中性子星の衝突

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