【チャンドラX線観測衛星】 観測成果 第1部
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1999年7月23日にNASAによって打ち上げられた人工衛星である。
スペースシャトルコロンビアによって放出された。
「チャンドラ」の名称は、白色矮星が中性子星になるための質量限界を割り出したインド系アメリカ人物理学者スブラマニアン・チャンドラセカールからとったものである。また「チャンドラ」とはサンスクリット語で「月」という意味でもある。
チャンドラはNASAの4つあるグレートオブザバトリー計画のうち3番目の観測衛星である。
その最初の観測衛星は1990年に打ち上げられたハッブル宇宙望遠鏡、2番目は1991年のコンプトンガンマ線観測衛星、そして最後が2003年打ち上げのスピッツァー宇宙望遠鏡である。
◆◆チャンドラX線観測衛星 観測成果 第1部
【1999年10月】
衝突銀河ケンタウルスAのX線ジェット
電波源として名高いケンタウルスAをチャンドラX線宇宙望遠鏡が捉えた。その中心部からは2万5千光年もの長さにおよぶ強烈なX線ジェットが伸び、周囲にはたくさんのX線点源が存在している。X線点源の中心部には巨大なブラックホールが隠されているとみられる。これらのX線は数億年前に2つの銀河が衝突した際の副産物であると考えられている。
▲ハッブル宇宙望遠鏡による可視光画像に、チャンドラX線宇宙望遠鏡による画像を重ねあわせた図。赤色がX線画像を表している。
Image credit: NASA/CXC/SAO/H.
ケンタウルスAは地球からおよそ1千万光年離れたケンタウルス座にある電波銀河で、正式な名称はNGC 5128である。活動銀河と呼ばれる銀河の中では、比較的近い場所にある。この銀河は今から数億年前、2つの渦巻き銀河が衝突することで爆発的な星形成が起こり、大量のガスが中心部のブラックホールに供給されることにより形成されたと考えられている。ジェットは中心から画面左上に伸びるものの他に、これとは逆に向かう短いジェット構造も見られる。これらのX線ジェットの全長は、私たちの銀河系の半径にも匹敵する巨大な構造である。
【2000年1月】
チャンドラがX線背景放射の正体を確認
発見から40年近くもの長い間謎とされていたX線背景放射の正体が、今回X線観測衛星チャンドラによる観測で明らかになった。
このチャンドラによるX線画像はりょうけん座の方角にあるX線背景放射源を撮像したもので、3ダースほどのX線源が映し出されている。これらのうちいくつかは非常に微弱なもので、ハッブル宇宙望遠鏡やハワイのケック10メートル望遠鏡のような光学望遠鏡では検出できない。また、これらの天体はこれまで検出された中で最遠のものである可能性があるという。
X線背景放射(X-ray background glow)と呼ばれる現象は、X線天文学の黎明期である1960年代初期にはすでに知られていた。X線は地球大気を貫通できないため、地上では観測できない。1962年になって初めてごく単純なX線望遠鏡がロケットで短期間宇宙に上げられたが、X線背景放射はそのときに発見された。その放射は宇宙のあらゆる方角から均一に分布しているため、科学者たちははじめ、その放射源は銀河間に分布する超高温ガスであろうと推測した。
しかし、90年代半ばになってより進んだX線望遠鏡が打ち上げられるようになると、その放射の少なくとも3分の1は活動銀河核(active galactic nuclei, AGN)と呼ばれる天体からのものであるということが判明した。AGNはわれわれの太陽の1億倍もの質量のブラックホールを含む銀河であり、ブラックホールがその周辺のガスを光速に近い速度まで加速しつつ吸収するときに、強烈なX線を放出する。だが、残りの3分の2のより弱い放射源の正体は謎のままであった。
そして今、これまでになく高い解像力と感度をもつチャンドラにより謎であった残りの3分の2の放射源の正体が確認され、これによりようやくすべてのX線背景放射源の正体がつきとめられたことになる。そしてそれらは初めに考えられていたような高温ガスではなかった。
今回、チャンドラの観測チームは、満月の4分の1程度にあたる領域を観測し、X線背景放射の原因となる多数のX線源を確認した。今回の観測結果を元に全天の放射源の数を推定すると、およそ7000万個ほどになるという。なお、今回確認されたX線源うち3分の2は、新たに確認されたものである。
しかし、今回新たに確認されたX線源の正体は、まだ正確にはわかっていない。
3分の1は、X線では非常に明るく見えるのに、可視光では検出できないような銀河核であり、「隠された銀河核」とでもいうべき新たなタイプの天体であった。今回の観測結果は、このような「隠された銀河核」が全天に数千万個程度あることを暗示している。これらの銀河核のX線像は非常に明るいため、恐らくAGNに分類されるものである。多数あるAGNは、X線では明るいが、可視光では暗い。今回の結果は、AGN探索は光学的な手段では非常に不完全であることを暗示している。
また別の3分の1は、「超微光銀河」とでもいうべき新たなタイプの天体であった。これらの天体はチリに取り巻かれて可視光が外まで通過しない銀河か、または非常に遠方にあるために宇宙空間に存在する比較的低温のガスに可視光を吸収されてしまった銀河であろうと推測されている。それらの中には6段階以上の赤方偏移を持つものが含まれている可能性があるそうだ。そうであれば、それらは140億光年以上もの距離にあることになり、これまで検出された中で最遠の天体ということになる。
これらの天体を光学的な手段で観測することはハッブル宇宙望遠鏡を用いても難しい。これらの天体の正体を完全に解明するためには、次世代宇宙望遠鏡の登場や、複数のX線観測衛星を近接編隊飛行させて協調観測させるコンステレーション-X計画が待たれるところである。
【2000年3月】
チャンドラがとらえた融合する銀河団
チャンドラX線宇宙望遠鏡が、エイベル2142(Abell 2142)と呼ばれる遠方銀河団をとらえた。この銀河団は2つの銀河団同士の衝突・合体によって形成されたものと考えられている。衝突合体過程の後期段階にある銀河団がX線で観測され、高温ガス雲の分布などがこれほど詳細にとらえられたのは今回が初めてである。
▲X線でみたエイベル2142(Abell 2142)の中心部。直径600万光年もの領域の中に数百もの銀河や大量のガス雲を含む巨大な銀河団である。このガスはさらに千個以上もの銀河を作りだすことができるほどの大質量を持っている。
エイベル2142は数百の小銀河を含む遠方銀河団の一つで、宇宙形成の初期に形成された宇宙でも有数の大質量天体として知られている。この銀河団を可視光で観測すると、2つの中心核がみえる。じつはこの銀河団は2つの銀河団が接近し、衝突合体過程によってできたと考えられているのである。この過程は数十億年かけて行われ、この銀河団は既にその後期段階にあるという。衝突合体によって生成されたエネルギーは、銀河団中のガスを1億度もの温度に引き上げている。
【2000年8月】
チャンドラ、リニア彗星を観測。彗星からのX線放射の謎を解く
NASAのX線宇宙望遠鏡「チャンドラ」が7月14日、リニア彗星(C/1999 S4)を2時間半にわたって観測し、彗星からのX線放射現象の謎を解くことに成功した。
上は、チャンドラの進化型CCD分光撮像器(ACIS)がとらえたリニア彗星。中央やや右の"Linear 1999 S4 nucleus"と記された十字マークが彗星の核の位置。左下向きの"To the Sun"と記された矢印が太陽の方向を示す。核から太陽の方向に少し離れた位置でX線放射が発生していることがわかる。
彗星の核は氷とチリから成る直径数kmほどの冷たい「汚れた雪玉」であり、低温のためX線放射は起こり得ないと思われていたが、1996年にX線観測衛星「ROSAT」が百武彗星からのX線放射を検出し、天文学者らを驚かせた。この不思議な現象を説明するために、いくつかのメカニズムが提案されてきたが、今回のチャンドラによる観測結果から、太陽風に含まれる酸素イオンと窒素イオンが、彗星を取り巻く主に水素から成る電気的に中性なガスに衝突する際にX線放射が発生していることがわかった。
チャンドラが観測を行なった7月14日は、7月12日に発生した太陽フレア現象の影響で、彗星付近を通過する太陽風が強くなっていたため、はっきりとしたX線放射が観測された。
【2000年11月】
チャンドラ、ガンマ線バーストの余光のX線分光観測に成功
NASAのX線宇宙望遠鏡「チャンドラ」が、ガンマ線バーストGRB991216の余光 (アフターグロー) のX線分光観測に成功した。得られたX線スペクトルには明瞭な鉄の輝線が複数認められた。ガンマ線バーストに明らかに関連するX線域でのスペクトル輝線が観測されたのは今回が初めてである。
ガンマ線バーストとは、宇宙の一点から突然多量のガンマ線が爆発的に放射される現象であり、ビッグバン以後の宇宙でもっとも大規模の爆発現象として知られるが、短期間で収束してしまうため観測が難しく、いまだ謎に包まれた現象である。その正体については、2つの超高密度天体――中性子星やブラックホール――が衝突・融合する際に生じたものであるとする説や、超巨星が崩壊する際の大爆発である「超超新星爆発 (hypernova)」(超新星爆発と似たプロセスだが、ずっと規模が大きい) であるとする説などが考えられている。
今回観測された鉄の輝線は、ガンマ線バーストを引き起こした爆発現象により放出された物質によるものと考えられる。
まず、輝線の赤方偏移から、発生源までの距離が大雑把に80億光年程度であることがわかった。これは、光学分光観測により求められたGRB991216の母銀河であると考えられている銀河までの距離とよく一致している。
そして、距離や輝線の強さなどを総合して、ガンマ線バーストの周囲の直径およそ1光日~2光日に含まれる物質の質量が、少なくとも太陽質量の10分の1程度であることがわかった。さらに、輝線の間隔から、放出された物質が光速のおよそ10%という超高速で拡散していることもわかった。
この観測結果は、「超超新星爆発」説を支持し、2つの超高密度天体の衝突・融合とする説を否定するものである。
「超超新星爆発」説が想定するシナリオは、超超新星爆発においてまず恒星の外層部が放出され、続いて恒星の核が潰れてブラックホールとなり、このブラックホール化の際に放出される莫大なエネルギーが拡散する恒星の外層部を過熱して余光を発生させるとするものだ。
【2000年11月】
X線宇宙望遠鏡チャンドラ最新画像2件
クエーサーから超高速で噴き出すジェットの詳細を観測
クエーサーとは、数十億光年かなたにあって莫大なエネルギーを放出しているコンパクトな天体である。クエーサーの正体は、宇宙初期に形成された活動的な銀河の核であると考えられており、その中心には巨大ブラックホールが潜み、巨大ブラックホールに周囲の物質が流れこむ際に急加速された物質からの放射がクエーサーからの莫大なエネルギー放出の原因であると推測されている。
▲Image credit: NASA/CXC/SAO/H. Marshall et al.
ブラックホールに物質が流れこむ際、その一部はブラックホールの強大な磁気圏により曲げられ、磁力線に沿って両極方向に流れ込み、両極から光速に近い速度で噴き出す高温ガスのジェットとなって放出される。このジェットの流れは、連続的な流れとなるはずだが、可視光・電波・チャンドラ以外のX線観測データがとらえたクエーサーからのジェットは、ほとんどが団子状にわかれた不連続なものであった。また、クエーサーからのジェットの速度は噴き出したすぐ後に急に遅くなることも知られていたが、その原因も謎であった。
今回チャンドラはクエーサー「3C273」を観測し、団子状のジェットの開始点とクエーサーの中心との間に、淡い連続的なジェットの流れがあることを発見した。それが左の画像である。左上にクエーサーがあり、そこから右下に向かって淡いジェットが続き、ジェットの先は連なった団子状の明るいジェットになっている。このことは、次のようなシナリオを支持する強い証拠となるものだ。
この速いジェットが遅いジェットに追突する部分から放出されるエネルギーは莫大である。この画像に見られるクエーサーから最も近い団子の部分の場合、それが放出しているX線の強さはほとんどのセイファート銀河 (活動銀河の一種) よりも強力である。おそらく、ガンマ線でも明るく輝いていると思われるが、現行のガンマ線望遠鏡では解像力が不足しているので確認できない。
はくちょう座A銀河を取り巻く高温ガスに巨大な空洞構造を発見
チャンドラの観測から「はくちょう座A」銀河を取り巻く高温ガスの内部にフットボール状の巨大な空洞構造があることが判明した。画像の黄色~オレンジ色の部分がその空洞である。
▲Image credit: NASA/UMD/A.Wilson et al
はくちょう座Aは多数の銀河からなる銀河団の一員である。銀河団内の銀河間にはセ氏数千万度の超高温でひじょうに希薄なガスが広がっている。今回発見された空洞は、はくちょう座Aの中心部の巨大ブラックホールから吹き出す強力なジェットがこの銀河間ガスを押し広げて作り出しているものと考えられる。画像右上と左下の明るい黄色の地点は、ジェットが銀河間ガスに激しくぶつかって特に強く電波やX線が放射されている地点であり、銀河中心からおよそ30万光年離れている。銀河間ガスと空洞の境界部は、銀河間ガスが圧縮された状態になっているため、強いX線が放射されている。
観測チームの一員であるAndrew S. Wilson博士 (アメリカ・メリーランド大学 天文学教授) は、「私たちが見ているのは、ガスを引き寄せようとするはくちょう座A銀河の重力と、ガスを押し広げようとするジェットとの闘いなのです」と語っている。
【2002年1月】
チャンドラが撮影した我々の銀河系中心
NASA の X 線観測天文台チャンドラが天の川銀河系の中心を撮影した写真が公開された。30 枚の写真を合成したこの写真には、銀河の中でもっとも活動的な領域である中心付近についての理解を深めるための多くの情報が隠されているに違いない。
▲チャンドラが撮影した我々の銀河系中心。30 枚の画像をつなぎ合わせている。大きさは 400×900 光年(写真提供:NASA / UMass / D.Wang et al.)
この写真はチャンドラに搭載された CCD 撮像分光装置(ACIS)によって撮影されたもので、400×900 光年の領域をカバーしている。数多くの白色矮星や中性子星、ブラックホールなどが、銀河中心にあると考えられている巨大ブラックホールの周囲にある超高温で光り輝くガスの中に分布している。
今後のデータ解析によって、銀河中心領域における星やガス、チリなどの相互作用のようす、さらに磁場や重力の影響などを調べることができるだろう。現在までの結果としては、これまでは高温ガスから放射されていると考えられていた X 線のうち大部分は個々の X 線源から発せられていることがわかった。この説によれば、高温ガスの温度は従来の 10 倍近くも低い 1000 万度程度だということである。
銀河中心は高温高圧のガスや強い磁場に支配された過酷な世界で、激しい星形成や頻繁な超新星爆発が起こっている。また、中心の活動は銀河全体の進化に大きな影響を与える。
【2002年2月】
チャンドラ撮影の画像
「銀河中心の電波アーク」「ケンタウルス座銀河団の円柱状構造」
<銀河中心の電波アーク>
▲銀河中心の電波アーク。青はチャンドラによる X 線画像、緑は野辺山電波観測所によるミリメーター波長の画像、赤は国立電波天文台による電波波長の画像(画像提供:(青)NASA / CXC / Northwestern / F. Zadeh et al.、(緑)Nobeyama / M. Tsuboi、(赤)NRAO / VLA / F. Zadeh et al.)
チャンドラで銀河中心方向を観測すると、X 線で輝く長さ 40 光年ほどのフィラメントや雲が見つかった。電波で明るく輝く大きなフィラメント状や層状の構造と関連があるようだ。
この X 線放射は、フィラメント中の高エネルギー電子が太陽の百万倍の質量を持つ低温のガス雲とぶつかって発生すると考えられている。この衝突が起こっていると考えれば、30 年ほど前に見つかった銀河面に沿った X 線構造の起源も説明できる。
<ケンタウルス座銀河団の円柱状構造>
▲チャンドラが撮影したケンタウルス座銀河団。色は温度に対応し、赤が低温側、青が高温側(写真提供:NASA / IoA / J. Sanders & A. Fabian)
ケンタウルス座の銀河団の画像には、長い円柱状の構造が見られる。
この銀河団は地球からおよそ 1 億 7 千万光年かなたにある。円柱状の構造は長さが 7 万光年にも達し、その温度は 1000 万度程度だ。これは円柱の周りにあるガスよりも数百万度ほど低温である。画像中の色は温度を表しており、青いほど高温である。また、質量は太陽 10 億個分に相当する。
【2002年4月】
中性子星よりも高密度な天体はクォークでできた星か?
NASAのX線観測衛星チャンドラによる観測で、普通の中性子星とは違った天体が2つ見つかった。一方は中性子星にしては小さすぎ、もう一方は温度が低すぎるのだ。ひょっとすると、陽子や中性子を構成する「クォーク」でできている星かもしれない。
▲高密度天体 RX J1856.5-3754(提供:NASA / SAO / CXC / J. Drake et al.)
▲中性子星 3C58(提供:NASA / SAO / CXC / P. Slane et al.)
チャンドラとハッブル宇宙望遠鏡で「みなみのかんむり座」にある天体 RX J1856.3-3754を観測したところ、この天体の直径がたった11.3kmしかないことがわかった。これは、超新星爆発のあとにできる非常に密度の高い天体、中性子星よりもずっと小さく密度が高い。研究者たちによると、この天体は「クォーク」でできているのかもしれないらしい。クォークとは、陽子や中性子を構成する最小単位となる粒子のことで、地球上の実験室以外で観測されたことはない。もし本当にクォークで構成されている天体だとすれば非常に興味深い結果である。
一方、「カシオペヤ座」にある天体 3C58は、1181年の超新星爆発の時にできたと考えられている。(この爆発は日本の「明月記」に記録されている。)予想されるX線の放射が観測されなかったことから、研究者たちは「3C58は100万度よりも低温である」と結論づけた。中性子星がどのように冷えていくのかという問題に対して強い制限を与える天体となるだろうが、この天体も(少なくとも一部は)クォークでできている可能性がある。
【2002年4月】
超巨大ブラックホールは宇宙のごく初期から存在していた
NASAのX線観測衛星チャンドラの観測により、クェーサーの中心にあると考えられている超巨大ブラックホールは宇宙誕生からわずか10億年後にはすでに存在していたらしいことがわかった。
今回チャンドラによる観測の対象になったのは、近ごろスローン・デジタル・スカイ・サーベイという観測で可視光で見つかったものである。その距離はおよそ130億光年と測定されており、これまでに知られているクェーサーの中で最も遠いものである。チャンドラの観測により、これらのクェーサーから非常に強力なX線が放射されていることがわかった。このX線は、クェーサー中心に存在すると考えられている超巨大ブラックホールから放射されている。
▲スローン・デジタル・スカイ・サーベイで見つかった3つの遠方クェーサー。赤方偏移パラメータはそれぞれz=5.82(左上)、6.28(右上)、5.99(下)(写真提供:NASA / CXC / PSU / N. Brandt et al.)
観測の結果、これら3つのクェーサーはもっと近くにある(すなわちもっと年老いた)クェーサーとあまり違わないということがわかった。ただし、距離が120~125億光年のところにある別の14個のクェーサーの観測では、遠方にあるクェーサーほどX線のエネルギーの割合が小さくなるという結果もあり、距離によってクェーサーのタイプが異なるのかどうかについて結論を出すには早いようだ。
いずれにせよ、この130億光年離れたクェーサーの中心にあると考えられている超巨大ブラックホールの質量が太陽の10~100億倍であることに関しては意見が一致している。ちなみに我々の銀河系の中心にあるブラックホールの質量は太陽の300万倍程度と推定されている。また、3つのクェーサーのうちの1つからほんの50万光年しか離れていないところに別のX線源が見つかっており、中心ブラックホールの回転によって放出された高エネルギーのジェットではないかと考えられている。