【コンプトン・ガンマ線観測衛星】 ガンマ線バーストの観測と成果

コンプトン・ガンマ線観測衛星（Compton Gamma Ray Observatory、CGRO）とはアメリカ航空宇宙局 (NASA) が1991年4月にスペースシャトル・アトランティス/STS-37に乗せて打ち上げたガンマ線観測衛星である。



▼1991年4月CGRO Launch　　スペースシャトル・アトランティス/STS-37　　


アメリカ初のガンマ線観測衛星で、10キロ電子ボルトから30ギガ電子ボルトまでのガンマ線を検出できた。数多くのガンマ線バースト現象の発見に貢献し、ガンマ線天文学は大きく発展した。

CGROは、ハッブル宇宙望遠鏡、チャンドラ X線観測衛星、スピッツァー宇宙望遠鏡と共に、NASAの大規模観測計画(Great Observatories)シリーズとして計画された大型の天体観測衛星のひとつ。


CGROは、姿勢制御用のジャイロスコープの1基が故障したため、2000年6月4日に指令により地球に落下させて消滅した。この時点では観測運用はまだ可能であったが、ジャイロスコープがこれ以上故障すると制御不能なまま落下し、地上へ危害を加える懸念があったことから、制御可能なうちに再突入させた。

◆ガンマ線バースト （gamma‐ray burst、GRB）


GRB Theory

Long GRBs are usually considered as coming from hypernovae, a kind of supernova originated by super-massive star (>40 solar masses).

Short GRBs are probably produced by the coalescence of compact objects (neutron star or black hole) in a binary system.

A mecanism that could explain the formation in both cases is the fireball model, where a highly relativistic fireball produces the gammas of the burst in internal shocks, while the afterglow is produced when the shock wave reaches the local medium.


▲1999年1月23日に起きたガンマ線バースト GRB 990123 の可視光での残光（白い四角形の中の輝点。右は拡大図）。残光の上部に伸びるフィラメント状の天体はバースト源をもつと思われる銀河。この銀河は別の銀河との衝突によって形が歪んでいる。

◆ガンマ線バースト（gamma‐ray burst、GRB）
ガンマ線バーストは、天文学の分野で知られている中で最も光度の高い物理現象である。


▲Artist's illustration of a bright gamma-ray burst occurring in a star-forming region. Energy from the explosion is beamed into two narrow, oppositely directed jets

ガンマ線バーストではガンマ線が数秒から数時間にわたって閃光のように放出され、そのあとX線の残光が数日間見られる。この現象は天球上のランダムな位置で起こり、一日に数回起きている。

ガンマ線バーストを起こす元となる仮想的な天体をガンマ線バースターと呼ぶ。

2005年現在では、ガンマ線バーストは極超新星と関連しているという説が最も有力である。
超大質量の恒星が一生を終える時に極超新星となって爆発し、これによってブラックホールが形成され、バーストが起こるとされる。

しかし天体物理学界ではガンマ線バーストの詳細な発生機構についての合意は得られていない。


▲Artist's illustration showing the life of a massive star as nuclear fusion converts lighter elements into heavier ones.

▲This schematic shows the hypothesized mechanism responsible for the creation of gamma-ray bursts.
Image Credit:http://tac.astron.s.u-tokyo.ac.jp/~totani/grb_image/grb_image_en_sm.jpg


◆◇◆ガンマ線バースト研究史

◆ガンマ線バーストの発見
ガンマ線バーストは1967年7月2日にアメリカの核実験監視衛星ヴェラによって発見された。発見されたGRBは後にGRB 670702と名づけられた。1973年にアメリカのロスアラモス国立研究所の研究者が、この衛星のデータから、これらのバーストが太陽系外からやってきていることを突き止めた。

宇宙から飛んでくるガンマ線は地球の大気によって遮られるため、ガンマ線バーストは大気圏外でしか観測することができない。研究者たちは、より高性能のガンマ線検出器を衛星軌道上に打ち上げればGRBの位置を迅速に求められると考えた。しかし、1970年代になって高性能のガンマ線センサーが打ち上げられたものの、バースト源の位置を特定して詳細に調べるためには精度が不足していた。

1980年代にはこの問題はほとんど進展しなかった。
しかし1991年4月にアメリカ航空宇宙局はコンプトンガンマ線観測衛星を打ち上げた。コンプトンに搭載された観測装置の Burst And Transient Source Experiment (BATSE) はガンマ線バーストを検出し、その天球上の位置を十分な精度で決定することに成功した。BATSEによって、ガンマ線バーストには少なくとも2種類、硬ガンマ線バーストと軟ガンマ線リピーターが存在することがわかった。

多くの天文学者にとってGRBが遠方の宇宙で起きていることを示唆するものであったが、同時にこれほど大きなエネルギーを生み出すことができるメカニズムを探すという問題に直面することとなった。


◆バーストの同定: GRB 970228

1990年代末にはGRBが銀河系内で起きるとする説は否定された。

これらの観測に続いて天文学者たちは、バースト発生の数時間後あるいは数日後により暗い可視光や電波の残光を検出することにも成功した。赤方偏移のデータもより多く集まり、バーストが遠方の宇宙で起きていることがはっきりした。

1997年と1998年に行われたいくつかの GRB 発生位置の可視光観測によって、バーストと超新星の間につながりのある可能性が浮かび上がってきた。これらの観測は決定的なものではなかったが、これらのデータから天体物理学者たちは GRB が超新星と関連していることに自信を持つようになった。

◆バーストの観測: GRB 990123
1999年1月23日、アメリカ・ニューメキシコ州ロスアラモスの Robotic Optical Transient Search Experiment 1（ROTSE-1）という装置によって、初めて GRB 本体の可視光画像を得ることに成功した。

1999年1月23日早朝のまだ暗い時間に、コンプトン衛星が1分半にわたって継続するガンマ線バーストを記録した。バーストが最初に検出されてから25秒後にガンマ線とX線の最初のピークがあり、続いてバースト発生の40秒後にいくらか小さなピークがあった。その後50秒の間にいくつかの小さなピークを残しながら放射は消えていった。発生から8分後には最大光度の 1/100 まで光度が下がった。このバーストは過去のガンマ線バースト全ての中で上位 2% にランクされるほど強いものだった。

コンプトン衛星はバースト発生の報告を NASA ゴダード宇宙飛行センターの地上制御施設に送り、センターはすぐにデータをガンマ線バースト座標ネットワーク (Gamma Ray Burst Coordinates Network, GCN) に流した。このバーストは GRB 990123 と命名された。

コンプトンではバーストの正確な位置は求められなかったが、発生位置の情報は広角の ROTSE-1 にとっては十分なものだった。ROTSE-1 のカメラアレイは自動的に発生位置付近の領域に焦点を合わせ、コンプトンが検出してから22秒後のバーストの画像を撮影し、これ以後、25秒間隔で画像を撮影した。 ROTSE-1 が撮影した可視光成分は9等もの明るさに達していた。これは性能の良い双眼鏡で見ることができる明るさである。バーストを起こした天体はバースト発生から1分以内に4,000倍も明るくなっていた。

BeppoSAX もこのバーストを観測しており、発生位置を1分角以内の精度で特定した。

このデータもネットワークに流され、バーストの4時間後に発生位置がパロマー天文台の1.52m（60インチ）シュミット式望遠鏡で撮影された。この画像には過去のアーカイブ画像にはない18等級の可視光の天体が写っていた。

翌日の夜にはハワイの10mケック望遠鏡とカナリア諸島のロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台の2.6mノルディック光学望遠鏡で、20等級まで減光した天体が撮影された。これらの観測で吸収線の赤方偏移が 1.6 であることが明らかとなった。これは距離に換算すると約90億光年となる。

バースト発生の16日後にはハッブル宇宙望遠鏡が GRB 990123 の観測を行った。この頃には当初の300万分の1まで暗くなっていた。ハッブルはバースト源の位置に暗い銀河を写し出した。この銀河は青い色をしており、新しい星が大量に生まれていることを示唆していた。

▼ハッブル宇宙望遠鏡 HST/STIS Images of GRB 990123


◆最近のガンマ線バーストの観測　June 2013
▼Hubble captures infrared glow of a kilonova GRB1306038 blast.　


▼GRB 130427A: Brightest Ever Gamma-Ray Burst Detected　
Nov 21, 2013

The jet from a gamma-ray burst emerging at nearly light speed.
Image credit: NASA / Swift / Cruz deWilde.

◆天体物理学者たちは、バーストのパワーを完全に説明できる説得力のあるメカニズムを考え出すことに挑戦している。様々な考えの一つに、中性子星同士、あるいは中性子星とブラックホールとの衝突によって説明できる、とする説がある。また別の考え方では、バーストは極超新星によって起こるとするものもある。

データの曖昧さや数多くの謎が残されているにも拘らず、天文学者たちは現在、謎の答に迫りつつあると考えており、非常に興奮している。彼らは自分達が使うことができる道具をこの問題の解決にうまく使っているところである。

◆天文学者たちは、2000年10月9日に打ち上げられたアメリカのHETE-2衛星によってより多くの情報が得られると期待している。最初のHETE-1衛星は1996年11月4日に打ち上げられたが、ロケットからの衛星切り離しに失敗した。バーストハンター達は落胆したが、幸いにもスペア部品から代替機を作ることができた。HETE-2 はガンマ線バーストの位置を迅速かつ正確に求めることに特化して設計されており、これによって NASA のチャンドラX線天文台など他の観測衛星がバーストのより詳細な情報を得られるようになっている。




さらに現在、GRB を調査する新たなミッションが始まっている。スウィフト・ガンマ線バースト観測衛星が2005年4月に稼動している。スウィフトは「バースト警戒望遠鏡」を搭載し、他の衛星にあらゆるガンマ線バーストの発生情報を送ることができる。この衛星はバースト源に向けて素早く方向転換し、今までよりも高感度の観測装置でバーストの観測を行う。スウィフトは50秒以内に姿勢を50度移動でき、天空上の正確な座標に観測装置を向けることができる。



2005年5月5日、スウィフトはあるバーストを捉えて追跡観測を行った。このバーストは他の観測衛星・天文台によっても観測が行われた。この時のデータはこのバーストが2つの中性子星の衝突によって生じた可能性を示唆している。この天体の調査は現在も続けられている


◆ガンマ線バーストの大量観測
1991年から2001年まで活躍した、コンプトンガンマ線観測衛星 (Compton Gamma-Ray Observatory; CGRO) に搭載されていた BATSE (Burst And Transient Source Experiment) 検出器は2704 個のガンマ線バーストを観測した。

▲This image shows a model of a bright gamma-ray burst light curve observed with BATSE. The model was created from the four energy channel discriminator datatype known as DISCSC. The four energy channels are as follows: 1）: 25 - 50 keV 　2）: 50 - 100 keV 3）: 100 - 300 keV 　4）: > 300 keV

BATSE は数度という非常に粗い精度ですが、バースト源の位置を決定する事ができた。下の図が銀河座標系でしめした 2704 個の BATSE がとらえたガンマ線バーストの全天分布である。




◆コンプトンガンマ線観測衛星の観測成果
【1997年 4月】
銀河系の中に反物質が大量に存在している領域を発見
4月28日付けのNASA発表によると、銀河系の中に少なくとも２箇所、 反物質が大量に存在し、（正）物質と激しく対消滅している領域があることが わかった。 反物質存在領域は、銀河系の中心部で噴水のように湧き出ている領域があり、 また銀河平面の縁にも反物質が雲のように広がって存在する領域があるという。

これらはNASAの「コンプトンガンマ線衛星」が、物質と反物質が対消滅する時 などに大量に発生するガンマ線を観測した結果によるもので、今回の観測結果では、 驚くべき量の反物質の陽電子が通常の電子と対消滅していることがわかった。

どちらの反物質のかたまりについても、その詳しい性質や生成原因は明らかでなく、 学者によって意見が分かれている。 その中でも前者（銀河中心部の噴水状の陽電子）については、従来の銀河系内の 反物質分布予想モデルとは異なる領域に発見されたもので、銀河系中心の大きな ブラックホールのそばで誕生している恒星の影響によって生成したとする説や、 巨大恒星やブラックホールなどから噴出したものであるとする説が有力である。 また、後者（銀河系外縁部）については若い巨大な恒星の爆発によって生成された 反物質ではないかといわれている。 いずれにせよこれらの反物質体の解明は今後の研究が待たれる。

【1997年 12月】
史上最大の爆発を観測！
NASAは、宇宙創生（ビッグ・バン）以来、史上最大のエネルギー放出を示すガンマ線バースト（爆発）を観測したと発表した。
これは、97年12月14日にNASA/ESAのコンプトンガンマ線天文台衛星とイタリアのベッポSAX衛星が同時に観測したガンマ線バースター天体を調べた結果、判明したものである。
この天体は GRB971214と呼ばれ、地球から約120億光年の距離にあると推定される。



▲ハッブル宇宙望遠鏡が撮像したGRB971214(NASA/STScI)

ガンマ（γ）線バーストとは、1967年にアメリカの核実験監視衛星によって偶然発見された現象で、数秒から数十秒の突発的なγ線のバーストが全天のあちこちで観測されている。
くり返し起こるタイプと、一回のみ起こるタイプがあり、繰り返し起こるタイプについては、その正体は明らかにされつつあるが、一回のみ起こるタイプについては謎に包まれていた。
最近になり、バースト源のひとつが遠方の活動銀河らしきことが明らかになり、その正体解明に関心が集まっていた。
ガンマ線は、きわめて高いエネルギーを持つ電磁波で、宇宙論的遠方からの放射に生じる赤方偏移の影響を受けてもなおガンマ線で観測されるバーストは、きわめて巨大なエネルギーを放出していると考えられる。

今回の GRB971214の観測結果は、これまで理論的に考えられていたガンマ線バーストのエネルギー放出値の100倍ものエネルギーを出しており、これはビッグバン以来、宇宙で生じた最大の爆発現象であろうと推定されている。より詳細なデータの分析によって、ガンマ線バーストの謎の解明に期待がかかる。


【1999年1月】
これまでで最も明るいガンマ線バースト
人工衛星として地球を周回しているNASAのコンプトン・ガンマ線観測天文台(BATSE)やイタリア-オランダのガンマ線観測衛星ベッポ・サックス(Beppo-SAX)は、1月23日9時47分(世界時)に「うしかい座」の一角で起こったガンマ線バーストを捕らえました。その情報は直ちに世界中に伝えられました。

▼GRB 990123


アメリカ、ニューメキシコ州ロス・アラモスに設置されているロボット光学遷移現象探査実験装置(Robotic Optical Transient Search Experiment;ROTSE)は22秒後に動作を開始し、報告された位置に、これまでなかった星が輝いているのを確認しました。5秒後にその明るさは最大に達して9等級にまでなりました。これは双眼鏡でも見える明るさです。しかし明るさはその後衰え、極大から8分後には、100分の1の14等に落ちてしまいました。それでも、可視光でこれだけ明るく見えるガンマ線バーストが観測されたのは、初めてのことです。

ベッポ・サックスもこれまでにない強力なガンマ線を観測しました。そのエネルギーは毎秒1平方センチメートル当たり35ピコジュールにも達しました。このエネルギーの大きさも、ベッポ・サックスが観測を開始してから最大のものでした。

これらの報告に基づいて、このバーストに対し、地上からの観測が一斉に始められました。カリフォルニア工科大学のオデワーン(Odewahn,S.C.)らは、パロマー天文台の口径1.5メートル反射望遠鏡にCCDを装着してその位置に向け、R等級で18.2等の像を見いだしました。第2次パロマー・スカイサーベイでは、その同じ位置に、R等級21.3等のかすかな像が認められるということですから、おそらくそれが母銀河で、今回観測された18.2等の像がガンマ線バーストの余光(Afterglow)と推測されます。ガンマ線バーストに関して、これだけ明るい母銀河が観測されたのも始めてのことです。一方、ベッポ・サックスの狭域カメラは、その位置に、やはりこれまで知られていなかった強いX線源を検出しています。このバーストの位置は、いくつかの観測から
　　　　　　赤経 15h25m30.5s
　　　　　　赤緯 +44ﾟ46'00" (2000.0)


と求められています。

明るいガンマ線バーストを観測すれば、よりたくさんの情報が得られます。ガンマ線バーストは、現在解明途上にある天体ですから、少しでも多くの情報を得ようと、その後も各種の観測が続けられています。ワシントン、カーネギー研究所(Carnegie Institution of Wasington)のケルソン(Kelson,D.D.)らは、ハワイの口径10メートル、ケックII望遠鏡で1月24日にそのスペクトル撮影をおこない、紫外域に鉄、マグネシウムのイオンや中性マグネシウムの吸収線を検出しています。そこから得られた赤方偏移はz=1.61で、ざっと90億光年程度の距離と考えられています。

今回のガンマ線バーストは、これまでに観測されたものよりなんと1万倍も明るいのです。「もしこのバーストがわれわれ銀河系内で起こったなら、夜空が明るくなったであろう」とNASAのバナー(Bunner,A.)は述懐しています。

【2000年3月】
銀河系内のガンマ線源に2種類
銀河系内の安定したガンマ線源は、大きく2種に分けられるということです。

ガンマ線とは、非常に波長の短い電磁波です。0.1nm(ナノメートル)以下の波長のものがガンマ線と考えればいいでしょう。 ガンマ線は地球大気に吸収されますから、ガンマ線源を地上で観測することはできず、人工衛星などを使って宇宙空間で観測します。

1991年にスペースシャトルから放出されたコンプトン・ガンマ線観測衛星は、400以上のガンマ線源、2500以上のガンマ線バーストを捕らえました。 その中には、銀河系内にある100MeV(メガエレクトロンボルト)以上の安定した点状のガンマ線源が120個も含まれています。 これらのガンマ線源がどんな天体に対応するかは、まだはっきりしていません。 パルサー、超新星残骸、ブラックホールなど、いろいろの可能性が考えられます。

NASA、ゴダード・スペースフライトセンターのゲーレルズ(Gehrels, N.)たちは、コンプトン衛星の観測結果を解析し、これらの安定した点状ガンマ線源が二つの種類に分かれることに気付きました。 第1種のものは銀河面に沿って存在する明るいガンマ線源で、太陽からは数1000光年離れている遠いものです。 第2のものは銀河面からやや離れたグールド帯に沿って存在するやや暗いガンマ線源で、平均600光年ほどの近距離にあります。 第1種に比べると、距離が近い上に暗いので、実際の明るさは75分の1程度と推定され、明らかに第1種と異なる性質のグループを形成しています。 おそらく、星形成の活発なグールド帯の恒星と何らかの関係があるのでしょう。 たとえば、超新星爆発の後に残ったパルサーかもしれないとゲーレルズたちは推測していますが、確定的ではありません。


▲銀河系内ガンマ線源

グールド帯とは、「オリオン座」、「おうし座」、「ケンタウルス座」、「おおかみ座」などを通る、明るさが目立つ星をたくさん含んだ天球状の帯状の部分をいいます。 銀河面とは20度ほど傾いています。 太陽系に比較的近く、銀河系の腕から突きだした形で星形成が盛んにおこなわれている領域と考えられています。

コンプトン衛星は、ガンマ線を検出するスパーク・チェンバーのガスをほとんど使いきった上に、ジャイロスコープの1台が故障したこともあって、もう寿命がなく、6月以降に廃棄される予定ということです。




しかし、2005年には、さらに高精度の観測が可能なガンマ線広域宇宙望遠鏡(Gamma-ray Large Area Space Telescope; GLAST)の打ち上げが予定されています。
GLASTは2008年8月26日にフェルミガンマ線宇宙望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope と改名した。
その観測により、さらにはっきりしたことがわかるでしょう。

▼フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡