重力レンズで時間差観測、115億光年彼方の超新星

115億光年彼方で生じた超新星の光が、重力レンズ効果によって3つの異なる経路を通り、それぞれ数日の時間差で地球に到達した。これによって超新星の時間変化がわかり、爆発前の星の情報も得られている。

【2022年11月14日千葉大学】

恒星の死に伴う爆発現象である超新星は、星が属する銀河全体を上回るほどの明るさになる。そのため、近年では大型望遠鏡の観測によって100億光年以上の遠方宇宙で起こった超新星爆発も見つかるようになってきた。だが観測機会が限られる遠方の超新星については、得られる情報も少ない。とくに、爆発する前の恒星の性質が明らかになった超新星は、地球から数億光年以内の近傍の超新星爆発に限られていた。

今回、米・ミネソタ大学のWenlei Chenさんたちの国際共同研究チームは、地球から約115億光年という非常に遠く離れた銀河で起こった超新星を発見し、爆発前の恒星が太陽の約500倍の半径を持つ赤色巨星であったことを突き止めた。この快挙は、超新星と地球の間に位置するくじら座方向の銀河団「Abell 370」の重力がレンズのような役割を果たし、超新星からの光を曲げ、複数の経路を通じて地球に届けたおかげである。経路によって光が地球へ到達するまでの所要時間に数日程度の差があったため、研究チームは超新星の爆発初日から8日目までの変化を1つの画像から知ることができたのだ。

超新星が3つに分かれて写った画像は、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）が2010年12月に撮影していた。研究チームはHSTが残したアーカイブ画像を系統的に調査する中で、今回の超新星を見つけている。

HSTが撮影した銀河団Abell 370（左）と、超新星を含む銀河の重力レンズ像（右のA～D）。重力レンズ像には時系列順に1から3までの番号が振られている。（A）2011年から2016年にかけて撮影された画像の重ね合わせ。超新星は暗くなっていて銀河だけが見える。（B）超新星が写った2010年12月の画像。（C）BからAを差し引いて超新星だけを浮かび上がらせた画像。A～Cは1つの波長だけをとらえたモノクロ画像。（D）HSTがとらえた3つの波長についてCと同様の減算処理を施し重ね合わせたカラー画像。超新星の色が時間とともに変化していることがわかる。画像クリックで拡大表示（提供：NASA, ESA, STScI, Wenlei Chen (UMN), Patrick Kelly (UMN), Hubble Frontier Fields）

3つの像のうち時系列で一番最初のものは、爆発から6時間後という非常に早い段階の超新星をとらえていた。2番目は爆発後約2日、3番目は爆発後約8日の姿で、徐々に色が赤くなっている。これは爆発の衝撃波によって星が膨張して、温度が低下した結果だと解釈できる。この冷却のペースから、爆発前の恒星の大きさが計算された。

また、この発見に基づき、115億光年の遠方までの超新星爆発頻度を求めた結果、遠方宇宙ではこれまで考えられていたよりも多くの超新星爆発が起こっており、星の形成が活発であったことも示された。