「X線天文学」で見抜く、元素の起源と宇宙の進化

佐藤 寿紀（明治大学 理工学部 専任講師）

宇宙が誕生したあと、なぜ我々のような人類がこの宇宙に存在できているのか。それを知ろうとするのに、宇宙の観測は、多くのヒントを与えてくれます。近年では、SpaceX など宇宙民間企業の活躍もあり、人工衛星による通信サービス「スターリンク」や民間人の宇宙旅行なども話題です。宇宙にあるX線を観測する「X線天文学」が発展すれば、宇宙の成り立ちを解き明かすこと、そして人類の宇宙進出にも貢献するでしょう。

◇数百万℃を超える超新星の姿を、衛星を使って観る

宇宙の誕生、つまりビックバンの直後は、水素やヘリウムと少しのリチウムぐらいの元素しか、この宇宙には存在していませんでした。酸素も水も鉄分も補給できず、そもそも生命が存在することができません。現在、身の回りにある鉄や酸素は、太陽のように自ら光る星「恒星」の内部や、恒星の爆発時の核融合反応によってつくられています。

恒星は寿命末期に爆発を起こし、太陽の数億倍もの明るさで輝きだします。この状態を「超新星」といいますが、内部や爆発時につくられた元素は、周囲にばらまかれ、宇宙に供給されることで、さまざまな星を誕生させています。すなわち超新星の残骸を調べれば、星や爆発でどんな元素ができ、ばら撒かれたのかを知ることができるのです。

そもそも星は内部構造が見えません。表面にあるものからしか化学情報が得られないため、難しい理論を組み合わせながら予測するしかありません。しかし残骸を見ると、その星が撒き散らした内部情報を観測できるので、死ぬ直前にどういう状態だったか、どんな最後を遂げたのかといった情報を引き出せます。超新星が撒き散らした元素は、X線を見れば、かなり詳しく調べられます。それが私の専門としている「X線天文学」であり、主に観測対象としているのが超新星の残骸です。

一般的にイメージされる天文学は、地上の望遠鏡や天文台で観測をするのものだと思います。これらで観測しているのは目に見える波長の光、可視光線です。しかし可視光線以外は、肉眼では観測できません。それぞれの波長に合った観測機が必要となるわけです。しかも宇宙から来るX線は、大気で吸収・散乱され、地上に届きません。そのため開発した衛星を打ち上げ、宇宙で観測することになります。

では、なぜX線の観測をするのか。光は波長が長い、つまりエネルギーが低い順に、電波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、γ（ガンマ）線に大別されます。単純に、エネルギーの低い光は冷たいものから、エネルギーの高い光は熱いものから出ていて、X線を放つものの温度は、数百万～1億℃という超高温です。超新星爆発は、ものすごいエネルギーを開放した高温で飛び散っているため、X線を見れば、多くのことが観測できるわけです。

超新星はほぼ点源としてしか観測できません。これは、爆発直後はそれほど膨らんでないからです。爆発後1～2年かけて暗くなっていきますが、数百年経った頃には残骸がかなり広がるため、超新星の “形” の情報が見やすくなります。それを調べることによって、どういうふうに爆発し、どんな元素をまき散らしたのかが逆算できる。言うなれば、星の司法解剖をしてるようなイメージです。