AT 2020afjz (TSS2020a): The First Fast Extragalactic Transient Discovered by TESS

宇宙は、瞬きをする間に起こる宇宙規模の爆発に満ちていますが、数十年にわたり、私たちの望遠鏡はそれらを捉えるにはあまりにも遅すぎました。天文学者は、数日あるいは数週間にわたって展開する超新星やその他の恒星の死を長年研究してきましたが、最も速いイベント、つまりわずか数時間で閃光を放ち消え去るものは、主に目に見えないままでした。これらの束の間の瞬間は、しばしば光速に近い物質のジェットを伴う極限の物理学によって引き起こされますが、空を継続的に監視し、非常に素早く写真を撮ることができる望遠鏡がなければ、これらのイベントは見過ごされてしまいます。課題は、これらの1時間程度の閃光を、消えてしまう前に見つける方法を見つけることであり、それは広い視野と迅速な注意力のユニークな組み合わせを必要とする作業でした。

ある天文学者のチームが、今やこうした捉えにくいイベントの一つを捉え、宇宙の観測における重要な転換点を示しました。トランジット系外惑星探査衛星として知られるTESSからのデータを使用し、研究者たちは遠方の銀河で、現れ、ピークに達し、一晩のうちに完全に消え去った明るい光の閃光を発見しました。AT 2022afjzと命名されたこのイベントは、ガンマ線検出器からの事前の警告なしに、このような高速の銀河外爆発が発見された初めての事例です。チームは、衛星がアラートを出すのを待つ代わりに、新しいソフトウェア・パイプラインを使用してTESSのデータを精査し、閃光を自力で見つけ出しました。その結果、最も明るかった時にはわずか約2.5時間しか持続しなかった爆発の詳細な記録が得られ、相対論的ジェットの誕生と死に関する稀な高解像度の姿が明らかになりました。

この発見は、2020年11月、TESS衛星が南半球の空の一角をスキャンしていた時に始まりました。TESSは、恒星の明るさの微小な減少を監視して惑星を探すように設計されていますが、そのカメラは突然の明るさの変化をも捉えることができます。研究者たちは、衛星のフルフレーム画像を処理し、急速に変化するあらゆるものを探すシステムを開発しました。彼らは、約1時間でピーク輝度に達し、その後消え去り、背景の中に消えるまで約10時間ほど可視状態を維持した光源を発見しました。明るさを時間の経過とともに追跡する光度曲線は、緩やかな上昇と急速な下降を示しており、これは既知のほとんどの宇宙爆発の典型的な挙動とは異なるパターンです。

この閃光の原因を理解するために、チームはまずその発生場所を特定しなければなりませんでした。閃光の位置を他の望遠鏡による深い画像と比較することで、その起源がかすかな遠方の銀河であることを突き止めました。この銀河は、互いの重力で引き合っている相互作用銀河の一対の一部です。閃光はこれらの一方の銀河の近くで発生しましたが、その銀河は小さな星形成系であるように見えます。この銀河までの距離は膨大であり、私たちが目にする光は、宇宙がもっと若かった時期、およそ赤方偏移0.67に相当する時期にそこを離れたものです。このイベントが、現在も星が誕生している銀河で発生したという事実は、それが強力なエネルギーのジェットをしばしば引き起こす、大質量星の死によって引き起こされたという考えを支持しています。

爆発の性質自体は依然として謎であり、データの両方に等しく適合する2つの解決策が存在します。研究者たちは、ジェットの物質が周囲の空間とどのように相互作用するかを記述する物理学を用いて光度曲線のモデリングを行いました。彼らは、このイベントが次の2つのいずれかによって説明できることを見出しました。第一の可能性は、爆発が「オーファン・アフターグロー（孤立した残光）」であったことです。つまり、ジェットが地球に直接向いていない方向へと発射されたというシナリオです。このシナリオでは、私たちはジェットの核ではなく側面を見ていることになり、それが光がゆっくりと上昇した理由、そしてガンマ線バーストが検出されなかった理由を説明します。第二の可能性は、ジェットは私たちに向かっていましたが、「汚れて」いた、つまりガンマ線を明るく放つには物質が詰まりすぎていたというものです。この場合、爆発は「ダーティ・ファイアボール（汚れた火の玉）」となり、通常の高エネルギーの兆候なしに、明るい光学的な閃光としてエネルギーがゆっくりと放出されます。

パズルの決定的なピースが欠けています。チームは、ガンマ線が実際に放出されたかどうかを確認することができません。高エネルギーのバーストを検出するために設計された衛星であるFermi-GBMは、爆発が発生したまさにその瞬間に地球によって遮られていました。この空白のカバー範囲があるため、研究者たちは、そのイベントが単に視界から隠れていたガンマ線バーストであったのか、あるいはガンマ線バースト自体が発生しなかったのかを断定的に言うことはできません。この不確実性は、彼らが「オーファン」と「ダーティ・ファイアボール」のどちらの説明を選択できないことを意味します。しかし、どちらのシナリオも同じ結論を指し示しています。すなわち、そのイベントは相対論的なエンジン、おそらく大質量星の崩壊によって駆動されたものであり、典型的な爆発とは異なった挙動を示したということです。

この発見の意義は、特定のイベントを超えて広がっています。これは、主に惑星を見つけるために作られた望遠鏡であるTESSが、宇宙における高速で稀な爆発を見つけるための強力なツールとしても機能できることを証明しています。衛星のデータを分析するために新しいソフトウェア・パイプラインを使用することで、チームは、ガンマ線のトリガーを必要とせずに、これらの1時間程度の過渡現象を検出できることを示しました。これは、これまで目の前で見逃されていた、全く新しい種類の宇宙イベントを見つけ出す道を開くものです。チームはまだこれらのイベントがどれほど存在するかを正確に述べることはできませんが、AT 2020afjzの発見は、それらがそこに存在し、発見されるのを待っていることを示唆しています。ソフトウェアが引き続きTESSのデータをスキャンするにつれ、天文学者たちはこれらの束の間の瞬間をより多く発見し、宇宙の最も極端な物理学のより鮮明な姿を描き出すことを期待しています。

この研究はまた、タイミングと精密さの重要性を強調しています。閃光は最大輝度の半分以上の明るさを維持した時間がわずか2.4時間であり、これは1日に一度しか写真を撮らない望遠鏡では見逃されてしまうほど短い窓でした。このイベントの上昇と下降をこれほどの詳細さで解像できたことにより、研究者は高い信頼度で爆発の物理学をモデル化することができました。彼らは、爆発がガスや塵の雲と思われる高密度な環境で発生したことを突き止め、それが光の伝わり方に影響を与えたと判断しました。この密度は、爆発が星形成が活発な領域で起こったことを示唆しており、これはホスト銀河の場所とも一致しています。

ガンマ線のデータが欠けているにもかかわらず、このイベントは、これらの高速な過渡現象を理解するためのベンチマークを提供しています。それは、すべての相対論的な爆発が同じように見えるわけではなく、光学的な光のみを通じて検出できるものもあることを示しています。研究者たちは、将来のTESSのデータにこれらの手法を適用し、より多くの例を見つけ、最終的にはこれらガンマ線静穏なイベントの全容を解明したいと考えています。現時点では、AT 2020afjzは、継続的な観測の力と、新鮮な視点で空を見る価値の証となっており、以前は手の届かなかった宇宙の隠れた領域を明らかにしています。