The fraction of periodic SN Ib/c light curves

巨大な星が燃料を使い果たすと、崩壊して爆発し、宇宙に向けてまばゆい光の閃光を放ちます。超新星として知られるこれらの爆発は、自然界における最もエネルギッシュな出来事の一つです。長い間、天文学者たちは、これらの爆発の光は、まるで燃え尽きていくロウソクのように、滑らかで予測可能な曲線を描いて単に消えていくものだと信じてきました。しかし、最近の観測により、これらの死にゆく星の中には、静かに消えていかないものが存在することが明らかになりました。その代わりに、暗くなっていく過程で、明るさが規則的なパターンで上下に揺れ動くのです。このリズムを刻む脈動は、稀で不可解な現象です。これは、爆発した星が孤独ではなかったことを示唆しています。おそらく、軌道を回る伴星（コンパニオン・スター）を持っていたのでしょう。爆発が起こった際、後に残された高密度の核がこの伴星と相互作用し、それが光を脈動させる重力の綱引きを引き起こした可能性があります。この現象がどの程度の頻度で起こるかを理解することは、科学者がどれほどの数の星がペアで生存しているのか、そして死ぬ前にどのように進化するのかを解明する助けとなります。

ワイツマン科学研究所の研究チームは、この挙動を体系的に調査することにしました。彼らは、これらの脈動する爆発が単なる奇妙な偶然の産物なのか、それとも重要なグループを代表するものなのかを知りたいと考えました。それを突き止めるため、彼らはカリフォルニアにある強力な望遠鏡であるズウィッキー・トランジェント・ファシリティを利用しました。この望遠鏡は、毎晩空をスキャンし、変化する数千もの光源を捉えています。チームは、タイプIbまたはIcと呼ばれる特定の種類の超新星に焦点を絞りました。これらは、爆発前に伴星によって外層の水素やヘリウムをすでに剥ぎ取られた星の爆発です。研究者たちは、34個の異なる候補について、光度曲線（星が時間の経過とともにどのように明るく見えるかの記録）を集めました。パターンを見つけるのに十分な測定数を持つ高品質なデータが必要であったため、彼らは望遠鏡がその星を十分な時間観測し、十分な枚数の写真を撮影したイベントのみを選別しました。

データの中に隠されたリズムを見つけ出すために、チームは従来の試みよりも慎重な新しいコンピュータ手法を構築しました。星の一般的な減衰をまず平滑化してから、その残りに含まれる「ゆらぎ」を探すのではなく、彼らの手法は、減衰とゆらぎを一つの連結した問題として扱いました。彼らは、全体の減衰に対する数学的な曲線を適合させると同時に、繰り返される波のパターンをテストしました。このアプローチにより、コンピュータが信号を早期に平滑化してしまうことで、実際の信号を誤って隠してしまうことを防ぎました。彼らはこの厳格なテストをサンプル内のすべての光度曲線に適用し、ランダムなノイズから明確に際立つ反復周期を探しました。彼らは、発見とみなすための非常に高い基準を設定し、信号がデータ上の単なる不具合ではなく実在するものであることを保証するために、望遠鏡で観測された二つの異なる色の光においてパターンが明確に現れることを要求しました。

探索の結果、3つの明確な結果が得られました。そのうちの2つは、他の天文学者によってすでにこの脈動挙動を持つことが特定されていた星、SN 2022jliとSN 2022esaでした。チームの手法は、これらの星における既知のパターンを正常に再現し、彼らの新しいアプローチが機能することを証明しました。SN 2022jliは約12日ごとに脈動し、SN 2022esaは約34日ごとに脈動していました。しかし、最もエキサイティングな発見は、3番目の星であるSN 2020sgfでした。これは以前には周期的な候補としてフラグが立てられていなかった星です。2020年に爆発したこの星は、一方の色では約30日、もう一方の色では約36日の明確な繰り返しパターンを示しました。正確なタイミングは二つの色間でわずかに異なりましたが、その差は同じ根底にあるリズムと矛盾しないほど小さかったのです。この発見により、この小さな脈動超新星のクラブに新たなメンバーが加わりました。

これら3つの発見が、より広い超新星の集団にとって何を意味するのかを理解するために、研究者たちは自らの探索の限界を考慮しなければなりませんでした。彼らは、自分たちの望遠鏡がすべての可能なリズムを見ることができるわけではないことに気づきました。もし星が非常にゆっくりと脈動していたり、あるいは脈動が非常に微弱であったりした場合、特に星が急速に減衰したり、一年のうちの一部で太陽の眩しさによって隠れてしまったりすると、望遠鏡はそれを見逃してしまう可能性があります。この「盲点」を測定するために、彼らは何千回ものコンピュータ・シミュレーションを実行しました。彼らは、34個の星の実際のデータに対し、異なる強度と速度の偽の脈動信号を密かに加えました。そして、その修正されたデータに対して検出メソッドを実行し、偽の信号をどの程度の頻度で見つけられるかを確認しました。このプロセスによって、彼らの感度マップが作成され、どのような種類の脈動する星を捉えることができ、どのような星を見逃す可能性が高いのかが正確に示されました。

この感度マップを手にしたチームは、自らの発見を、連星系における星の挙動に関する理論モデルと比較しました。これらのモデルは、剥離型超新星（stripped-envelope supernovae）の一定の割合が、伴星との相互作用によってこの脈動挙動を示すと予測しています。研究者たちは、もし脈動する星がごくわずかな割合しか存在しないのであれば、彼らのサンプルの中で3つも見つけることは極めて困難であったはずだと考えました。3つ発見できたという事実は、真の数はより多いことを示唆しています。彼らの分析によれば、これらの超新星の約20パーセントが周期的であると予測するモデルは、彼らの観測結果と一致しています。これは、これらのリズムを刻む爆発が、例外的に珍しい奇妙な現象ではないことを意味します。むしろ、これらは死の間際に伴星と相互作用している、おそらく5つに1つという割合の、実体のあるサブグループを構成している可能性が高いのです。

この研究はまた、新鮮な視点でデータを見ることの重要性を強調しました。研究者たちは、見出された周期のうち2つが月の周期である29.5日に近いことに注目しました。月の光は時として望遠鏡のデータに偽のパターンを作り出すことがありますが、チームは、彼らの発見がこの影響によるものであるという証拠は見つけられませんでした。信号は異なる色の光においても強く一貫しており、星自身の内部にある物理的な原因を指し示していました。この研究は、適切なツールと十分な大きさのサンプルがあれば、天文学者が個々の奇妙な天体の研究を超えて、より広範な集団を理解できる段階へと進めることを示しています。SN 2020sgfの発見と他の星の確認は、宇宙にはこうした連星の相互作用が満ちており、次世代のスカイ・サーベイによって発見されるのを待っていることを示唆しています。