すばる望遠鏡が解明、 本当に50億光年の彼方からやってきていた 謎の天体・高速電波バースト 戸谷友則 東京大学大学院理学系研究科 天文学専攻 平成２８年２月２２日 東大理学部記者発表 目次 • 高速電波バースト(Fast Radio Burst, FRB)とは何か？ • 今回の成果∼母銀河の発見と距離の解明 • 意義と展望 電波天文学 • 可視光線も、電波も電磁波の一種 • 可視光 波長=0.5マイクロメートル程度 • 電波 波長=ミリ∼センチメートル • 電波で宇宙や天体を観測する＝電波天文学 野辺山45m鏡 パークス64m鏡 ALMA (12m x 50台) 高速電波バースト：謎のミリ秒フラッシュ現象？ • 電波望遠鏡で観測していると、継続時間 1 ミリ秒（1/1000秒）程度のフラッシュ現象が見つかる • 最初の発見報告は 2007年、サイエンス誌、一つだけ • そんな天体現象があるとは予想もされていなかった • 本当に天体現象なのか、疑われる • 2013年、４つが新たに発見 • 高速電波バースト(FRB)と命名 • このあたりから、天文現象の可能性が高いとして騒がれ始める • 天の川（我々の住む銀河系の円盤）から離れた場所でも起こる • 銀河系外天体？ • 頻度は、もし全天をずっと見つめていれば、１日に数千個も！ • ただし、電波望遠鏡の視野は狭く、現実に見つかるのは１０日観測してせいぜい一つ • 同じ場所で繰り返し起こった事例はまだない 宇宙論的遠方での星の大爆発か？ • 分散指標 (dispersion measure=DM)が測定さ れている FRBの電波シグナル • 視線上に分布している（電離した）電子の影 響（光速を低下させる） • DM = 電子密度 伝搬距離 • DM は距離の指標となる • パルサーでも普通にDMが測定されている • 中性子星が数十ミリ秒∼数秒で回転して、 周期的な電波パルスを出す 電波振動数（!） • 電波振動数（=光速 波長）が低いほど、遅れ て到着 時間遅れ"t=A/!2 • FRB の DM は、銀河系内のパルサーより10 倍も大きい！ • FRB は銀河系内の天体ではないことを示唆 観測時刻 宇宙論的遠方での星の大爆発か？ • 宇宙には無数の銀河が存在し、銀河と銀河の間には「銀河間物質」がある • 実は、宇宙の通常物質の中で、銀河にとりこまれているのはわずか10%以下で、90%以上は銀河 間物質として存在。その密度は 4.2 10-31 g/cm3 と予想されている。 • FRB の DM が銀河間物質中の電子によるとすれば、その電子密度から距離が求まる • FRB の距離は５０∼１００億光年 • 宇宙年齢は137億年→宇宙論的な遠方！ • 銀河系の大きさは約5万光年 • しかし、DMはあくまで距離の目安でしかない • 直接的な距離測定は皆無だった FRB 銀河間空間 我々の銀河系 大発見か？ • 誰も全く予想していなかった天体現象 • The discovery of fast radio bursts at the Parkes Observatory, if confirmed at other observatories, would be a monumental discovery, comparable to that of cosmological gamma-ray bursts and even pulsars" • 「FRB の発見は、もし天文現象として確定すれば、記念碑的な発見である。それは ガンマ線バーストの発見、さらにはパルサーの発見にも匹敵するだろう」 • Shrinivas Kulkarni （カリフォルニア工科大の電波天文学者）, Scientific American 誌 • パルサーも、ガンマ線バーストも、発見当初は、「全く予想外の謎の天体」だった • これらは、今では天文学の中の重要分野に成長している パルサーとガンマ線バースト • パルサー • 1967年に発見。理論的に予想されていた中性 子星であると結論され、1974年にノーベル物 理学賞 • 連星パルサーからの重力波で、1993年ノーベ ル物理学賞 • ガンマ線バースト • 1970年頃に発見。30年近くの間、距離が不 明で謎の天体とされた。 • 1997年に初めて距離が判明し、宇宙論的な遠 方の天体現象であることが判明。 • 継続時間の長いものと短いものの２種族があ る • 長いものは特殊な超新星で起きる相対論的 ジェット現象であることが確立 • 短いものは中性子星連星の合体説が有力。 • 「宇宙最大の爆発現象」 • 宇宙論研究の道具としても注目されている。 本当に天体現象か？ • FRB が本当に天体現象なのか、疑う向きも多かった • FRB は当初、オーストラリアのパークス電波天文台でしか見つかっていなかった • 現在は、アレシボやグリーンバンク電波天文台でも確認 • FRB に似ているが、確実に地球起源の現象（ペリュトンと呼ばれる）もあった • パークス天文台の観測室の電子レンジが原因と判明 • ペリュトンとFRBはよく見ると異なる現象 • FRB はやはり天文現象であるとされている 様々な仮説 • 1 ミリ秒 = 光速で 300 km • コンパクトな天体（サイズ 10 km 程度の中性子星やブラックホール）を示唆 • 普通のパルサーがごくたまに巨大フレアを起こす？ • マグネター（普通より磁場が千倍も強いパルサー）が起こすフレア（太陽フレアのよう な表面の大爆発） • 特殊な超新星 • 超新星爆発から千年ほど経過してから、中性子星がブラックホールになる時の現象 • 連星を組んでいる二つの中性子星の合体 • この説は、今回の研究チームの日本での代表である戸谷が2013年に提唱 • 他に、カリフォルニア大学バークレイ校の樫山和己研究員らが、「白色矮星同士の連星合体 説」を提唱 • 太陽に近い銀河系内の星のフレア • この場合、DMは別の物理過程で説明する • 地球大気における雷のような現象など、非天体現象 • 宇宙人からのメッセージ？ 今回の成果の説明 すばる望遠鏡によるFRB観測チーム結成 • 次のステップとして重要なのは、FRB の 他波長対応天体を見つけること • 特に、可視光波長での観測は、FRB が発 生した銀河（母銀河）の性質や、赤方偏 移（波長のドップラーシフト）から距離 を正確に割り出せるので、極めて重要 • 問題は、FRB の位置決定精度が悪いこと （満月１つ分ぐらい） すばる望遠鏡によるFRB観測チーム結成 • すばる望遠鏡は、大型望遠鏡(8m)であ りながら、満月１つ分以上の領域を一 度にカバーできるというユニークな特 徴を持つ • FRB 追観測にうってつけ • パークス電波天文台のFRB観測チーム と提携し、すばる望遠鏡による追観測 チームを立ち上げ • 2015年2月より、すばる望遠鏡で観測 時間を獲得、追観測態勢を開始 FRB 150418 の発生と観測 • 2015年4月18日、パークス天文台で新たな高速電波バーストが見 つかる • 赤経 07時16分、赤緯 19度02分 • おおいぬ座の方向 • その発生から約１日後と２日後、すばる望遠鏡を用いて当該領域 を撮像観測（すばるによるFRB初観測） • 変動天体を探したが、FRB に関係していると思われるものは 見つからず • 10月1日になり、Australia Telescope Compact Array (ATCA)で FRB を追観測したチームから、興味深い電波変動天体が見つかっ たと連絡 • FRB発生後、６日間にわたり、徐々に暗くなっていった電波源 • FRBと無関係のものがたまたま見つかる確率は1/1000 程度 → FRB の残光と考えられる • 位置決定精度が、約１秒角（1/3600度）と格段に向上！ ATCA すばるデータによる母銀河の同定 • すばる望遠鏡のデータで、電波残光の位置を確認して みたところ、遠方の銀河が写っていた • FRB が発生した母銀河と考えられる。 • FRB の発生場所として可能性がある領域を8m級の感 度で全て観測していた、すばる望遠鏡のユニークな 能力が効を奏した • この銀河を分光してスペクトル（波長毎に分けた光の 強度分布）を取れば、赤方偏移を決定できる！ • つまり、距離がわかる！ • 11月2日、今度はすばる望遠鏡の分光装置を用いて、 この銀河のスペクトルを取得 電波残光の位置 白丸は、パークス天文台が 電波で観測していた領域 ついに高速電波バーストの距離が解明！ • スペクトルの中の原子吸収線や形から、赤方偏移 z = 0.492 と判明 • 地球上に比べ、波長が (1+z) = 1.492 倍に延びている • 膨張宇宙モデルから距離が決まる • 約50億光年！ • DM から予想されていた距離とほぼ一致！ 黒線：観測されたスペクトル 青線：楕円銀河の標準スペクトル 「見えないバリオン問題」の解決 • 精密宇宙論観測データから決まった宇宙のエネルギー（質量）密度の組成比 • ダークエネルギー 約69% • ダークマター 約25% • 既知元素からなる通常物質（バリオン）5% • 宇宙の全バリオンのうち、銀河の中の星やガスとして存在するものは10%以下 • バリオンの 90% 以上は、銀河間物質として存在すると考えられている • 直接観測はこれまで不可能だった • 遠方天体の吸収痕など、間接的な方法を用いても、半分くらいしか捉えら れていなかった ＝ 「見えない（ミッシング）バリオン問題」 • 今回、DM(=電子密度 距離) と、赤方偏移（=距離）が同時に求まった • これにより電子密度、そして対応する銀河間物質密度が求まり、ほぼ、宇 宙論が予想するバリオン密度(4.2 10-31 g/cm3)と一致していた • 分散指標DMという、明確な基礎物理法則に基づいて、宇宙のバリオン物質 が理論通りに銀河間空間に存在することを初めて証明 高速電波バーストの正体は？ • FRB の母銀河は、楕円銀河だった！ • 楕円銀河は、数十億年という年齢をもつ古い星の集まりであ り、現在は星形成を行っていない。色は赤い。 • 渦巻き銀河は、現在も活発に星形成を行っている。色は青い。 • 重力崩壊型超新星となるような大質量星（太陽の８倍以上）の寿 命は短い （約百万年以下） • パルサー、マグネター、長いガンマ線バーストなど、大質量星 の最期に生まれる天体は、渦巻き銀河にのみ見られる 渦巻き銀河 M101 • FRB の説としても、マグネター、パルサー、超新星などに直 接関連したものは難しくなる • 連星中性子星の合体？ • 重力波を放出しつつ、長い時間をかけて合体 • 楕円銀河で発生しても矛盾は無い 今回の母銀河 • 今回の電波残光は、短いガンマ線バーストの残光と似ている • 短いガンマ線バーストの有力起源候補も連星中性子星合体 楕円銀河 M87 高速電波バーストから重力波が見つかるかも？ • 今月１１日、米国のLIGO実験が３０太陽 質量のブラックホール同士の連星合体から の重力波を検出したと発表 • 連星中性子星合体も、（最も有望な）重力 波源と考えられている • 近い将来、高速電波バーストから重力波が 検出されれば、連星中性子星合体説の決定 的な証明に まとめと展望 • 全くの謎の天体であった「高速電波バースト」について、初めて母銀河と赤方偏移 （距離）を測定し、宇宙論的な遠距離での天体現象であることを証明 • パルサー、ガンマ線バーストの発見に匹敵する、天文学の歴史に残る新たな１ペー ジ • 赤方偏移と電波の分散指標が同時に観測されたことで、銀河間空間の物質密度を初め て直接的に測定。宇宙論の理論的予想と一致しており、宇宙の通常物質の全てを観測 的に捉えたことで「ミッシングバリオン問題」を解決 • FRBが起きた母銀河は楕円銀河であった。これにより、連星中性子星合体など、星形 成から長い時間をかけて高速電波バーストになるような天体が起源と考えられる。 • 高速電波バーストが本当に宇宙論的な天体であることが確立し、今後、研究がいっそ う活発化し、天文学の一分野として成長が期待される • 高速電波バーストの正体は何か？ 重力波天文学との連携？ • 宇宙論的な研究のための「道具」としても有望 日本チームからの論文共著者一覧 • 戸谷友則（東京大学・理・天文学専攻）すばる望遠鏡観測提案責任者、統括 • 本間希樹（国立天文台）電波観測との連携担当 • 古澤久徳（国立天文台）すばる撮像データ解析 • 服部尭（国立天文台）すばる分光データ解析 • 諸隈智貴（東京大学・理・天文学教育研究セ）すばる撮像データ解析 • 新納悠（国立天文台） すばる撮像データ解析 • 菅井肇（東大IPMU) 可視光観測及び解釈の検討 • 寺居剛（国立天文台） すばる撮像データ解析 • 冨永望（甲南大） すばる撮像データ解析 • 山崎翔太郎（東京大学・理・天文学専攻） すばる撮像データ解析 • 安田直樹（東大IPMU) すばる撮像データ解析
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