東北大学
学際科学フロンティア研究所

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ガンマ線と可視光偏光の同時観測で迫るブラックホールからの光速ジェット噴出の謎

2023年11月23日『Nature Astronomy』誌に論文掲載および11月24日プレスリリース

2023.11.24

金沢大学理工研究域先端宇宙理工学研究センター/数物科学系の有元誠准教授および東京大学宇宙線研究所高エネルギー宇宙線研究部門の浅野勝晃教授、広島大学宇宙科学センターの川端弘治教授、東北大学学際科学フロンティア研究所の當真賢二教授、メキシコ国立自治大学、イスラエル・オープン大学を含む国際共同研究グループは、フェルミ宇宙ガンマ線望遠鏡衛星と東広島天文台かなた望遠鏡を用いて、宇宙最大の爆発現象であるガンマ線バーストからのガンマ線と可視光偏光の同時観測に成功しました。
 
ガンマ線バーストは、光速に近い速さでブラックホールからジェットが噴き出し、そのジェットからガンマ線が放射されると考えられているものの、その放射メカニズムやジェット駆動機構は謎に包まれていました。本研究ではガンマ線と可視光の同時観測により、ジェット内部を逆方向に進む衝撃波がガンマ線放射に大きく寄与していることが初めて分かりました。さらに、本研究では、光の向きの偏りを調べることができる偏光観測を爆発発生から80秒後という極めて早い時間帯で観測できました。このことは、「ガンマ線バーストのジェット内部に2種類の衝撃波が存在し、それぞれの衝撃波の磁場構造が全く異なる」ことも新たに明らかにしました。ジェット内部で作られる衝撃波によって高エネルギー粒子が誕生し、その粒子が磁場と作用することでガンマ線が生じると考えられています。つまり、ガンマ線の放射起源を知る上で、磁場はなくてはならない情報であり、ガンマ線を放つジェット内部の磁場構造を明らかにできたのは本研究が初めてです。また、ジェットを光速近くまで加速する機構として、磁場駆動モデルが提案されていますが、そうしたモデルに制限を与える重要な結果となります。
 
本研究により、ガンマ線バーストの放射メカニズムやジェットの組成・生成の理解が大きく進展しました。光速まで加速されたジェットはガンマ線バーストだけでなく、さまざまな天体現象でも存在しており、本研究の成果が多くの謎に満ちたジェットの解明にも繋がる可能性があります。さらに今回のような広い波長での同時観測が、今後のマルチメッセンジャー天文学においても大きな役割を果たすことが期待されます。
 
本研究成果は、2023年11月23日16時（英国時間）に英国科学誌Nature Astronomyのオンライン版に掲載されました。
 

図：ガンマ線バーストのイメージ図（Copyright: 2023 金沢大学，イラスト制作：武重隆之介・髙橋壮一）
 
論文情報：
タイトル：Gamma rays from a reverse shock with turbulent magnetic fields in GRB 180720B
著者： Makoto Arimoto, Katsuaki Asano, Koji S. Kawabata, Kenji Toma, Ramandeep Gill, Jonathan Granot, Masanori Ohno, Shuta Takahashi, Naoki Ogino, Hatsune Goto, Kengo Nakamura, Tatsuya Nakaoka, Kengo Takagi, Miho Kawabata, Masayuki Yamanaka, Mahito Sasada and Soebur Razzaque
掲載誌：Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-023-02119-1
URL: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02119-1
東京大学宇宙線研究所
https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/14461/
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