【チャンドラX線観測衛星】 観測成果 第2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2部
【2002年4月】
銀河の大衝突の現場
特異銀河として知られるArp 220を、NASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した画像が公開された。我々の銀河系サイズの2つの銀河が正面衝突している現場を捉えたものだ。
▲チャンドラが撮影した特異銀河Arp 220(提供:NASA / SAO / CXC / J. McDowell)
Arp 220はへび座にある銀河で、距離は2億5千万光年である。これは宇宙規模で考えると比較的近距離と言え、銀河の衝突が今よりも頻繁に起こっていたと考えられている初期の宇宙の姿を研究するのに都合のいい天体なのだ。大質量の銀河や、その中心にあるとされる超巨大ブラックホールなども、銀河の衝突によってできたと考えられている。
画像には、銀河から時速数十万キロメートルで吹き出す数百万度の高温ガスも写し出されている。このガスは、爆発的な星形成によってできた新しい星々から吹き出したものだと考えられている。また、75,000光年にもわたるガスのローブ(全体を包み込むような広がり)も見つかった。おそらく、衝突の際に飛び散った銀河の残骸だろう。このローブが周りに広がり続けていくか、それともArp 220に戻ってくるかはわかっていない。
さらに、チャンドラの観測で、衝突した2つの銀河それぞれの中心に対応する位置からX線が放射されていることがわかった。これらのX線源はそれぞれの銀河の中心にある超巨大ブラックホールであると考えられている。数億年以内には2つのブラックホールも合体して、さらに大きなブラックホールが合体銀河の中心に位置することになるだろう。
【2002年4月】
タランチュラ星雲で繰り広げられる星の形成と進化のドラマ
星形成領域として知られるタランチュラ星雲(毒蜘蛛星雲)をNASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した画像が公開された。星々の形成や進化のようすが鮮明に写し出されている。
▲タランチュラ星雲。エネルギーの低いところは赤く、高いところは青く色づけられている。(提供:NASA / CXC / Penn State / L. Townsley et al.)
タランチュラ星雲はかじき座の方向にある「大マゼラン雲」という銀河中の星形成領域である。大マゼラン雲は我々の天の川銀河などと同じく局部銀河群のメンバーの1つで、およそ16万光年離れたところにある。このように近いところにあるので、スターバースト(爆発的な星形成)など、星の進化、さらには銀河の進化について詳しく調べることができるのだ。
この領域では、大質量の星が強烈な放射を放っていたり数百万度の焦げ付くような恒星風を吹き出したりしている。左側の図にはそのような大質量の星が少なくとも11個はあり、そのうちもっとも明るいものは太陽の130倍もの質量がある。
また、超新星爆発を起こして後にパルサーと超新星残骸を残す大質量製もある。超新星残骸はチリやガスでできた巨大な雲を圧縮して、新しい星の誕生を引き起こす。右側の図のリング状の部分は、そのような超新星残骸の一例である。また、中央下よりの明るい点は、有名な超新星1987Aである。
【2002年5月】
衝突の初期段階にある銀河 Arp 270
NASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した、衝突の初期段階にある2つの銀河 Arp 270の画像が公開された。
▲チャンドラのASICカメラで撮影したArp 270。赤は低温(低エネルギー)で,緑、青と高温(高エネルギー)になっていく(提供:NASA / U. Birmingham / A. Read)
Arp 270は「こじし座」にあり、地球からの距離はおよそ9000万光年である。お互いの重力の影響で銀河の形が変形したり、ガスのかたまりが衝突して新しい星の形成を引き起こしたりすると考えられている。
画像中、青い点のところ(中央やや左)は、新しく作られた大質量の星がある場所だ。これらの星からは強烈な恒星風が吹き出している。また、この星々は最終的には超新星となって爆発してしまうが、その爆発の際に放射された高温のガスが銀河の円盤を取り囲んでいる。画像中の赤いところがそのガスの存在を表している。
【2002年5月】
大マゼラン雲中で美しく輝く超新星残骸
NASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した、美しい超新星残骸の写真が公開された。
▲超新星残骸 N132D。一辺は100秒角(提供:NASA / SAO / CXC)
この画像は、地球から18万光年離れた大マゼラン雲にある N132Dという超新星残骸である。画像の色はエネルギーの違いに対応しており、赤は低エネルギーに、緑は中間、青は高エネルギーを表している。
超新星残骸とは、一生の最期に大爆発を起こした星がまき散らしたガスが見えているもので、おうし座にある「かに星雲」や大マゼラン雲に1987年に現れた超新星の周りのリングなどが有名だ。爆発で吹き飛ばされた残骸は球殻状に広がっていき、近くにあるガスや分子雲などと衝突する。その際にガスが数百万度の高温に加熱され、X線で光って見えるのである。
【2002年6月】
チャンドラと電波望遠鏡の観測で見つかった超新星残骸の中心のパルサー
NASAのチャンドラX線観測衛星とアレシボの電波望遠鏡を使った観測によって、超新星残骸の中心にある明るいリングの真ん中に中性子星パルサーが見つかった。中性子星の膨大なエネルギーがどのように光速に近い速さで運動する粒子へ与えられるのか、中性子星の周りで起こっている現象の謎を解く1つの手がかりになりそうである。
▲超新星残骸 SNR G54.1+03。中心の明るい点が中性子星パルサー(提供:NASA / CXC / U.Mass / F.Lu et al.)
超新星残骸 SNR G54.1+03は「や座」の方向にあり、地球からおよそ1万6000光年離れている。大きさは6光年ほどである。チャンドラの撮影した画像には、超新星残骸の中心に輝く明るい点とその周りのリングやジェット状構造が写し出されているが、このリングやジェットは高エネルギーの粒子で構成されている。
アレシボ電波望遠鏡による観測で、中心にあるのは中性子星パルサーであることがわかった。このパルサーは毎秒7回転している。また、このパルサー(と超新星残骸)は3000年ほど前に爆発を起こしたものであることもわかった。1997年に日本のX線衛星ASCAが観測したデータの解析から、パルサーがX線でもパルスを発していることもわかっている。
高エネルギー粒子でできているリングは次のようにして形成されたと考えられる。中性子星の周りの強烈な電場によって粒子が加速され、ジェットやディスクが形成される。その結果として衝撃波が発生し、粒子が非常に高エネルギーになって、X線で光るリングとして見えているのである。
【2002年6月】
遠方銀河に点在するブラックホールや中性子星をチャンドラが撮影
NASAのX線観測衛星チャンドラによって、遠方の銀河中に多数のブラックホールや中性子星が発見された。
ブラックホールや中性子星は、非常に明るく質量の大きな星が、超新星爆発を起こしてその一生を終えた跡に残る「星の死体」である。つまり、これらの天体がたくさん見つかったということは、銀河の中にかつて明るい大質量星がたくさん存在していたということを意味している。現在の楕円銀河では質量の小さな暗い星が大部分を占めているのとは対照的だ。
▲おとめ座の楕円銀河 NGC4697。距離はおよそ4000万光年(提供:NASA / CXC / UVa / C.Sarazin et al.)
▲かじき座のレンズ銀河 NGC1553。距離はおよそ7000万光年(提供:NASA / CXC / UVa / E.Blanton et al.)
▲おとめ座の楕円銀河 NGC4649。距離はおよそ6000万光年(提供:NASA / CXC / UVa / S.Randall et al.)
また、観測で見つかったブラックホールや中性子星はX線連星を形成していることもわかった。ブラックホールや中性子星の強力な重力によって相手の星から物質が流れ込み、高温高エネルギーを放射するのでX線で光って見えるのである。
これらの連星の大半が、光学望遠鏡での像との比較から、球状星団の中に存在していることがわかっている。このことから、ブラックホールや中性子星は元から連星だったわけではなく、相手の星を引きつけて連星になったと考えられている。普通は星と星との間は非常に離れているので連星の相手の星を捕まえるのは難しいが、球状星団の場合には星の密集度が高いので捕まえることができたというわけだ
【2002年7月】
子持ち銀河・M51のレントゲン写真
「子持ち銀河」という愛称で有名な銀河・M51を、NASAのX線観測衛星チャンドラで撮影した画像が公開された。
▲M51のX線画像。囲みの中はM51の中心部で、さらにその中の囲みが超新星1994I(提供:NASA / CXC / U.Md / A.Wilson et al.)
子持ち銀河・M51はりょうけん座にある銀河で、地球からの距離はおよそ3000万光年である。アマチュアにも人気の高い銀河で、可視光線などの写真では、2つの銀河が相互作用を起こしているようすが写しだされる。チャンドラが撮影した画像には、1994年に爆発した超新星 SN 1994Iのほか、ブラックホールや中性子星と考えられる多くのX線源が写っている。また、数百万度にも達する高温のガスも観測されている。電波観測の結果とあわせると、このガスは、銀河中心の超巨大ブラックホール近くで発生した高速ジェット流によって加熱されたと考えられる。
超新星 SN 1994Iは、爆発後の観測から、Ic型超新星という珍しいタイプの超新星であることがわかった。爆発を起こした星は、その数千年前に水素やヘリウムの外層部分をなくし質量を失ったと考えられている。超新星の衝撃波をX線で観測すれば、どのような過程を経て質量を失っていったのかを詳しく調べることができる。チャンドラから得られたデータによれば、爆発した星の周りに直径0.2光年の雲があり、そこへ物質が流れ出ていったのだろうと考えられている。さらに観測を続ければ、雲の正確な大きさや爆発までに星が失った質量などもわかるだろう。
【2002年8月】
X線で見えたケンタウルスAのアークは大爆発の証拠
NASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した、電波銀河として有名な天体ケンタウルスA(NGC5128)の画像が公開された。他の波長で撮影された画像との合成画像は、ケンタウルスAの複雑な構造を写し出している。
▲さまざまな波長で撮影した電波銀河ケンタウルスA。青はX線、黄は可視光、緑は電波の連続スペクトル、赤は電波の21cm波長(提供:X線: NASA / CXC / M. Karovska et al., 可視光: Digitized Sky Survey U.K., 電波連続スペクトル: NRAO / VLA / J.Condon et al., 電波21cm波長: NRAO / VLA / Schiminovich, et al.)
ケンタウルスAは地球からおよそ1,100万光年離れたところにあり、強力な電波を放射していることで有名な天体だ。チャンドラの観測により、高温ガスでできた2つのアーク(円弧状構造)が見つかった(青色の画像)。アークの温度は数百万度で、直径およそ25,000光年のリング構造の一部を見ているのだと考えられている。大きさや位置から考えて、このアークは1,000万年前に起こった大爆発で形成されたようだ。
公開された画像は、X線波長で撮影されたものだけでなく、他の望遠鏡で撮影された可視光や電波波長の画像もある。波長の違いは観測している天体の成分や元素の違いに対応しており、チャンドラが撮影したX線波長は高温高エネルギーのガスを表している。それぞれの色は擬似的につけられたものなので、実際にこのような色で美しく見えるわけではない。合成することで、場所によって銀河を構成している成分などが違うことやお互いの関係などがよくわかるだろう。
【2002年9月】
活動銀河核を持つ古い銀河は意外と多いようだ
NASAのX線観測衛星チャンドラで約20億光年かなたの銀河団 Abell 2104を観測したところ、活動銀河核と思われるX線源が6つも見つかった。
▲銀河団 Abell 2104のX線と可視光の合成画像。活動銀河核(黄色の数字)が6つ写っている(提供:X線:NASA / CXC / P.Martini et al.、可視光:Carnegie Obs. / W.Baade Telescope)
活動銀河核とは、銀河の中心にあると考えられている超巨大ブラックホールに周囲からガスが流れ込んで加熱され光って見える天体である。核の周囲にあるガスやチリのために可視光などでは見ることができないが、温度が高く、高エネルギーなのでX線で観測することができる。
中心のブラックホールにガスが流れ込むことによって活動銀河核が光っているということは、逆にいえばガスがなければ光らないということだ。活動銀河核が見つかるような銀河の多くは、ガスを豊富に含んでいる若い銀河である。一方、銀河団の中にある年老いた銀河の場合、銀河団の中を高速で移動しているうちにガスをはぎ取られたり、あるいは銀河同士の相互作用によってガスを失ったりするので、活動銀河核として光るほどのガスが残らないと考えられてきた。今回、銀河団中に6つも活動銀河核が見つかったのは大きな驚きなのである。ちなみに、可視光による観測ではこの銀河団には1個しか見つかっていなかった。チャンドラの観測能力の高さが見事に活かされた。
銀河は歳をとっても、従来考えられていたよりもガスをしっかりと残しているのかもしれない。特に中心核に近いところではたくさん残っているのだろう。銀河団の中にたくさんの活動銀河核が見つかったことで、銀河団中の銀河で起こっている星形成に関する見積もりにも修正が必要になるかもしれない。今後、他の銀河団も同様に観測していく予定だということだ。
【2002年10月】
ブラックホールから放射されるX線ジェットの一生
NASAのチャンドラX線観測衛星とオーストラリアの電波望遠鏡によって、ブラックホールから放射されるX線ジェットの一生が初めて観測された。
▲(左)X線ジェットの画像。中央がX線源で、両側にあるジェットが離れていっている、(右)X線連星系の想像イラスト(提供:左:NASA / CXC、右:CXC / M. Weiss))
観測された天体はじょうぎ座のX線源 XTE J1550-564という連星系の天体で、地球から約1万7千光年離れている。この天体は1998年にアウトバースト(突発的な増光)を起こしたところをNASAのロッシX線衛星によって観測された。この天体から放射されている高エネルギーのジェットは東西2方向に見られる。初めのうちはジェットは光速の半分ほどの速さで動いていたが、4年経った現在は減速している。2つのジェットの間は3光年ほど離れており、東側(図の左半分の画像の左側)のジェットは消えかかっている。
恒星質量のブラックホールや銀河の中心にある超巨大ブラックホールからのジェット放射は宇宙のいろいろなところで起こっていると考えられている。今回のような観測や研究を続けることでその仕組みを知るてがかりが得られるであろう。特に今回の場合はジェット放射の最初から消えるまでを継続して観測できたという点で重要である。また、ジェットが星間ガスの間を動くと抵抗を受けて減速し規模が小さくなっていくと考えられているが、今回の観測では初めてそれが実際に確かめられた。
【2002年10月】
X線で見た銀河の姿から明らかになるダークマターの存在
NASAのX線観測衛星チャンドラが撮影した銀河NGC720の画像が公開された。可視光の写真とは違った写り方をしているこの画像から、やはり宇宙にはダークマターが存在しているのだという証拠が得られたようだ。
NGC720はくじら座にある銀河で、地球からの距離は約8,000万光年。可視光で撮影するといたって普通の楕円銀河に見える。しかし、X線で観測すると、可視光で見える形とは違った方向にのびた高温ガスに銀河が包まれているようすが明らかになったのだ。
▲X線(左)と可視光(右)で見た銀河NGC720(提供:X線:NASA/CXC/UCI/D.Buote et al., 可視光:DSS U.K.Schmidt Image/STScI)
大きく広がったガスが拡散してしまわないようにするには、銀河に大量の質量が必要となる。しかし、観測される星やガスだけではその質量に足りない。つまり、星やガス以外の部分に多くの質量が存在しているということだ。このように、光やX線では直接検出できないが重力の影響を通じてのみ存在がとらえられる物質をダークマターと呼ぶが、計算によれば、この銀河では星やガスの質量の5倍から10倍の質量がダークマターとして存在しているようである。また、可視光の見え方とX線での見え方が違うことから、ダークマターは星の分布とは違った分布をしていると考えられている。
また、今回の結果から、「冷たいダークマター」と呼ばれるダークマターの理論が正しそうだという証拠が得られたようだ。重力に関する理論や冷たいダークマター以外のダークマターモデルでは、今回の観測結果をうまく説明できないということである。
【2002年11月】
1個の銀河に2つの超巨大ブラックホールが見つかった
NASAのX線観測衛星チャンドラによる銀河の観測で、初めて、1つの銀河中に2つの超巨大ブラックホールが見つかった。これらのブラックホールは数億年のうちに合体してさらに大きなブラックホールになると考えられている。
チャンドラが観測したのはへびつかい座にある銀河 NGC6240で、地球からはおよそ4億光年離れている。以前から中心からX線が放射されていることがわかっており、電波や赤外線による観測では明るい核が2つあることがわかっていた。研究者たちは、この核のうちどちらかがブラックホールではないかと考えてチャンドラによる観測を行なったのだが、思わぬことに実は両方ともがブラックホールだったというわけである。
▲NGC6240の中心部。核が2つ見えている(提供:NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al.)
NGC6240は2つの小さな銀河が衝突、合体してできあがった銀河だと考えられており、こういったタイプの銀河に特徴的な激しい星形成活動が見られる。発見された2つのブラックホールは元々はそれぞれの銀河の中心にあったものかもしれない。2つのブラックホールの間は3,000光年ほど離れているが、今後数億年かけてお互いの周りを回りながら近づいていき、最終的には1つになると考えられている。
ブラックホールが1つになる過程の最終段階では、強い重力波が放出されると予想されている。現在、世界各地で重力波を検出する設備の建設が進められており、このような現象(宇宙全体で1年に数回は発生すると考えられている)で放出される重力波の検出に期待が寄せられている。
【2002年12月】
チャンドラが撮影した、宇宙高速道路の玉突き衝突事故
NASAのX線観測衛星チャンドラにより、ブラックホールの両側に超高温のローブ(広がり)があるのが観測された。中心のブラックホールから遠く離れたところに高温のローブがあるのは、ブラックホールから高速で放出されたガスの塊が低速のものと衝突し加熱されているためだと考えられている。
▲SS433のX線画像と、SS433周辺の想像図(提供:NASA / CXC / U.Amsterdam / S. Migliari et al.)
この天体は地球から16,000光年離れたわし座の方向にあり、ブラックホールと重い恒星の連星だと考えられている。ブラックホールから0.25光年離れた両側には、温度が5千万度にも達するガスのローブが存在している。
これまでにチャンドラやハッブル宇宙望遠鏡で似たような天体を観測したときには中央のブラックホールからこれほど離れたところに高温ガスのローブは見つかっておらず、ブラックホールから数百万kmより遠くではガスは冷えてしまっていると考えられていた。今回観測された高温ガスのローブは、ブラックホールのすぐそばから光速の4分の1という速さで放出されたガスの塊が以前放出されたガスと玉突き衝突を起こして加熱された部分だと思われる。長期にわたって光学観測した結果、中心のブラックホール近くから数分おきに弾丸のようにガスの塊が噴出しているようすも捉えられており、この衝突モデルがおそらく正しいことを裏付けている。
参照;AstroArts