Long-lived intermittent accretion disks in the jittering jets explosion mechanism (JJEM) of core-collapse supernovae

宇宙の打ち上げ花火ショー

宇宙を、巨大な星々が建物である壮大で混沌とした建設現場だと想像してみてください。これらの恒星の巨人が燃料切れになると、ただ静かに消え去るのではなく、自らの重力で崩壊し、その後、10億個の太陽に匹敵する威力で爆発します。この現象は「コア崩壊型超新星爆発」と呼ばれます。何十年もの間、天文学者たちは、これらの爆発が一体どのようにして起こるのかを正確に解明しようとしてきました。それは、振られたソーダのボトルがどのようにしてキャップを弾き飛ばすのかを理解しようとするようなものです。それは中のガスの圧力によるものなのか、それとも他の何かによるものなのでしょうか？

二つの主要な説が、その主役の座を争っています。一つの理論は、ニュートリノと呼ばれる目に見えない幽霊粒子が、熱風のように星の核を加熱し、星を吹き飛ばすと示唆しています。もう一つの理論、そしてこの論文が探求しているのは、「ジタリング・ジェット爆発メカニズム（JJEM）」です。これを宇宙の散水システムだと考えてみてください。一定のストリームではなく、ランダムな方向に一対の水のジェットを放出しながら、激しく回転するスプリンクラーを想像してください。このシナリオでは、爆発は、生まれたばかりの超高密度な核（中性子星）から噴出する高速のガスジェットによって引き起こされます。大きな謎は、星の核がさまざまな混沌とした予測不可能な回転をしているときに、どのようにしてこれらのスプリンクラーが、星全体を吹き飛ばすのに十分な期間、かつ強力に噴射し続けられるのかという点でした。

長持ちするスプリンクラーのパズル

この研究において、天体物理学者のノアム・ソカーは、これらの爆発が残した「傷跡」として知られる超新星残骸に見られる特定のパズルを調査しています。天文学者がいくつかの爆発した星の残骸を観察すると、非常に特定のパターンが見られます。つまり、非常に強力なジェットのペアが、わずか1組、2組、あるいは3組だけ存在し、それが爆発の大部分を担ったかのように見えるのです。これは奇妙なことです。なぜなら、JJEMの標準モデルは、星の核の混沌とした回転によって、多くの小さな短命なジェットのペア（おそらく5組から20組）という混沌とした混乱が生じるはずだと示唆しているからです。

この論文は、単純な問いを投げかけています。「どのようにして、ジェットを放出する円盤は、一瞬で消えてしまうのではなく、わずか数回の非常にエネルギッシュなジェットを放つために、十分に長く生き残ることができるのか？」著者は、その答えは、ジェット自体がパーティーを継続させる手助けをするという、巧妙なフィードバック・ループにあると示唆しています。

三つの秘策

ソカーは、短命なジェットのバーストを、長寿命で強力な爆発へと変えるために、共に作用する3つのメカニズムを提案しています。

1. 「極方向の封鎖」（泡）
生まれたばかりの中性子星を、上下に二つのガスのジェットを放出する回転する独楽（コマ）だと想像してください。これらのジェットが周囲の星の物質に突入すると、石鹸の泡を吹くときのように、巨大な泡を膨らませます。これらの泡は盾となり、上部と下部（極方向）から新しい物質が落下してくるのをブロックします。ジェットが極方向をブロックしているため、新しいガスが流れ込むことができる場所は、側面（赤道面）だけになります。これにより、すべての流入する物質は、火を消し止めるのではなく、火に燃料を供給するように、ジェットと同じ方向に円盤の周りを回転することを強制されます。これはポジティブなフィードバック・ループです。ジェットが「間違った方向」をブロックすることで、「正しい方向」へのより多くの燃料供給を強制するのです。

2. 「角運動量のシャッフル」（粘性による受け渡し）
ここでの物理学は、椅子取りゲームに似ています。通常、回転する円盤に回転を持たない（角運動量がゼロの）物質が供給され始めると、円盤は減速して崩壊するはずです。しかし、ソカーは、円盤内部の「粘りけ」（粘性）がコンベアベルトのように機能することを示しています。それは、円盤の内側の回転を取り、それを外側へと押し出すことができます。たとえ新しい非回転の物質が加えられたとしても、円盤は内部の回転を再配置し、内側がジェットを放出し続けるのに十分な速さで回転し続けられるようにできるのです。論文では、このプロセスによって円盤の寿命が、およそ0.01秒から0.1秒という「粘性時間スケール」まで延びると計算されています。これは短く聞こえるかもしれませんが、爆発する星の世界においては、永遠とも言える時間なのです。

3. 「ランダムウォーク」（幸運なコイン投げ）
最後に、偶然の要素があります。星に落下する物質は、完璧で安定した回転を持っているわけではなく、激しく変動し、時には左に回り、時には右に回ります。ソカーは、時として、これらのランダムな変動がすべて運良く元のジェットと同じ方向に重なることがあると示唆しています。それは、何度もコイン投げを行うようなものです。時折、連続して表が出ることもあります。もし、回転するガスのランダムな「歩み」が既存の円盤と一致すれば、それは円盤にさらなるブーストを与え、その結果、円ダムがより長く生存し、あの巨大でエネルギッシュなジェットを放出することを可能にするのです。

これが宇宙にとって意味すること

この論文は、この現象が毎回起こることを証明するスーパーコンピュータ・シミュレーションを実行したと主張しているわけではありません。代わりに、数学的モデルと超新星残骸（かに星雲など）の観測を用いて、これら3つの効果――極方向のブロック、回転のシャッフル、そして幸運なランダムな変動――がどのように連携して作用するかを示唆しています。

著者は、これが、なぜ一部の超新星残骸がわずか数組の非常に強力なジェットのペアによって支配されている一方で、他の残骸が多くの小さなものの混沌とした混乱を示しているのかを説明すると主張しています。これは、「ジタリング・ジェット」メカニズムが、ニュートリノ加熱理論よりも、これらの星が爆発する主要な方法であるという説を強化するものです。論文は、ニュートリノ理論がこれらの爆発のエネルギーを説明するのに苦慮している一方で、ジタリング・ジェットは、これらの長寿命の円盤に助けられることで、その役割を果たすことができると示唆しています。

要約すると、この論文は、ジェットがただ放たれて死ぬのではなく、盾を築き、エネルギーをシャッフルし、そして風に乗って幸運を掴むことで、星が完全に吹き飛ばされるまで猛烈に放ち続けることができるという、宇宙の爆発の姿を描き出しています。将来、より詳細なコンピュータ・シミュレーションによって、これら3つの秘策が、死にゆく星の混沌とした現実の中で本当に共に機能するかどうかをテストする必要がありますが、今のところ、数学と望遠鏡のデータは、非常にダイナミックでジェットに駆動された宇宙を指し示しています。