10代のころから化学元素を愛し、爆発を好んだスタン・ウーズリーは、1950年代後半、テキサス州での少年時代に、「硝酸カリウムや過塩素酸塩、過マンガン酸塩あたりをほかの物質と混ぜてできることはやり尽くした」という。「硝酸カリウムに炭と硫黄を混ぜると火薬ができるんだ。そこへ砂糖を入れて点火すれば、きれいなピンク色の炎が出て、煙が立ち込める」。調合した火薬は、州都ダラスの隣町フォートワースにあるゴルフコースで試したという。「容器をネジでしっかり留めたら、後は一目散に逃げるのさ」。
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爆発好きが高じて“ドカーン”・ウーズリーというあだ名で呼ばれていた少年はいま、カリフォルニア大学サンタクルーズ校でさらに大きな爆発を相手にしている。天文学者として超新星の爆発を専門に研究しているのだ。恒星が一生の終わりに激しく爆発すると、超新星と呼ばれるようになる。宇宙誕生以来の歴史の中でも最大級の爆発が、大人になったウーズリーの研究対象となった。
超新星爆発は光り輝く大イベントだが、広大な宇宙では1秒に1度ほどの頻度で起こっている。といっても通常、爆発の舞台となるのは、はるか遠くに存在している銀河だ。爆発後には星の明るさが通常の1000億倍にまで達し、膨張する火の玉が冷めるまでには数カ月間はかかる。
これほどの爆発が地球の周囲でめったに起こらないのは幸運と言える。われわれの銀河で最後に超新星爆発があったのは1604年のことだ。当時、この爆発は、先駆的な天文学者ヨハネス・ケプラーにも深い感銘を与え、木星に匹敵するほどの明るさで夜空を彩った。そんな超新星爆発が、もし数光年程度の近距離で起これば、地球は死の放射能に包まれることになる。
だが、超新星が燃え尽きたときには人類とも深い関係を持つ物質が後に残される。水素とヘリウムよりも重い元素は、ほとんどすべてが太古の超新星爆発の名残だ。星の内部で形成された元素が、数十億年前に起こった爆発で宇宙にばらまかれた。生物の細胞に含まれる炭素、空気中の酸素はもちろんのこと、岩石やコンピューターのチップを構成するケイ素も、血液や機械の材料になる鉄ですら、超新星爆発があったからこそ存在する。
この超新星爆発の謎に、何十年もの間、天文学者たちは取り組んできた。そこには宇宙の起源を解き明かそうとする情熱、あるいは純粋に爆発の原理を知りたいという熱意があった。数百万年にわたって平和に輝いていた星が、突如として爆発する理由が分からなかった。
最近では2度、大きな爆発が観測されている。そのうちの1つでは、宇宙のかなたから届く高エネルギーのガンマ線バースト（爆発的放射）の正体が明かされた。このガンマ線バーストの発生源は数十年にわたって天文学者の頭を悩ませていたのだが、最近の宇宙探査で10年以上も前にウーズリーが提唱した説が実証されることになった。多くのガンマ線バーストは、超新星爆発の直前に放出される星からの警告信号だったのだ。
超新星とガンマ線バーストの関連が明らかになったことで、やはり謎であった爆発以前の様子を垣間見ることができた。また、宇宙を直接見上げるのでなく、コンピューターモデルを使って行われる研究でも進歩がみられている。コンピューターシミュレーションによって、爆発を引き起こすファクターを発見したという科学者も現れた。コンピューターモデルに指定するさまざまなファクターに「音波」を加えると爆発がスムーズに起こるという。星が一生の終わりに発するのは、想像を超えるほど強大な反響音のようだ。
天文学においては、何かが消滅するイベントがあるといってもそれほど急ぐ必要はないのが普通で、「宇宙の進化はペンキが乾くのを見届けるようにゆっくり観測できる」と言われている。しかし最近では、多くの天文学者がポケットベルや携帯電話を持ち歩くようになった。呼び出されればすぐに対応できる医師のような態勢が整えられている。これは彼らが、スウィフトという探査機からの情報を待ち構えているからだ。
2004年に打ち上げられたスウィフトは、宇宙から飛んでくるガンマ線の探査にあたっている。ガンマ線のバーストを検知するとその方向へ望遠鏡を向け、適切な角度でバーストの残光であるアフターグローをとらえる。アフターグローをたどれば、バーストが生じた場所を割り出すことも可能になる。検知と同時に、地上にいる天文学者たちにも通知が送られるので、大きな望遠鏡でじっくりと観測できるようになった。
2006年2月18日の朝、スウィフトはどこからか牡羊座の方向に向かってガンマ線が放射されている現象を確認した。その後、3分も経たないうちにガンマ線バーストの位置が特定され、各所に通知が送信されている。2日後にはアリゾナ州にある望遠鏡で、このバーストがわれわれの銀河に隣接する小さな銀河、とはいっても例にたがわず、宇宙のかなたで起きたバーストの片鱗だと解明された。
ガンマ線バーストと超新星の関係は以前から追跡の対象となっていたが、このときのバーストは近距離で発生したので、スウィフトの検知もかなり早かった。そのため、ガンマ線バーストが爆発の初期の段階で生じているという説の実証に期待が持たれた。
通常は数秒で途切れるはずのガンマ線やX線が、2月18日には30分以上にわたって大量に記録された。バーストはやがて可視光線と赤外線に取って代わられ、3日経つころにはアフターグローも消え始める。後には超新星が残されて、引き続き注目を集めた。
アフターグローがしだいに弱まっていく中、その領域が再び光を放つ様子が、チリ北部の超大型望遠鏡（VLT）で確認されている。ガンマ線バーストのわずか1分ほど後には超新星爆発が起きたが、放出されたエネルギーのほとんどは目に見えない紫外線やX線照射だった。続いて、それよりもゆっくりとした速度で可視光線の輝きが広がっていき、ついにはアフターグローよりも強く輝き始める。こうして、超新星爆発に先立つガンマ線バーストがこのとき初めて観測された。
超新星が輝き出してから18日後、カリフォルニア州南部の山の頂上にあるパロマー天文台では引き続き観測が行われていた。ところどころに雲が浮かぶ空へ向かって、観測ドームの2枚あるスライド式シャッターが開け放たれている。この範囲に入った夜空の切れ端が、中に設置されているへール望遠鏡の5メートルを超える反射鏡に映し出されるのだ。カリフォルニア工科大学の天文学者アビシャイ・ガルヤムが、この望遠鏡で超新星を観測できる時間はあとわずかだった。もう2時間も経てば、超新星は低く沈んで見えなくなる。
超新星は、この時点でも太陽の数十億倍を超える光を発していたものの、周りを取り囲む銀河全体に比べれば光度を弱めていた。確認できるのは、爆発で生まれた不安定なニッケル原子の放射性崩壊による白い輝きだ。ガルヤムが指し示したコンピューターの画面には、曲がりくねった線が表示されていた。超新星の光を構成色や波長ごとに分解した線だという。ケイ素やコバルト、カルシウムや鉄といった星の残がいの成分にそれぞれ吸収されていく光の波長が、線の落ち込みの1つ1つに表されている。
画面には破壊と創造が渾然一体となって映し出されていた。「これまでの無数の超新星でそうだったように、この爆発で放出された成分もやがては新しい星になる。中には惑星に育つものだってあるかもしれない。それを観測できるのは幸せだよ」とガルヤムは話す。
この星の崩壊が始まったのはずっと以前にさかのぼる。誕生時から続く重力との争いに負けたときから、破滅への道は始まっていた。星が誕生するとき、重力は中心部のコアに水素原子を引き付け、圧縮された水素原子は核融合を起こしてヘリウムに変わる。このときのエネルギーが新しく生まれる星の光や熱となり、外層部の膨大な重みに耐えるコアを支える圧力となる。
ところが、水素が使い果たされるとコアは重力に押しつぶされ、収縮して約1億度という高温に達する。この高温のためいヘリウム原子が核融合して炭素に変わるが、エネルギーは高まるのでコアの寿命はもう少し延びる。
太陽よりも軽く、孤立した恒星の場合、ここで少々異なる道をたどる。ヘリウムが燃え尽きた段階で収縮し、地球ほどのサイズの白色矮星に変わると、年を経るごとに際限なく冷え続けていくのだ。一方、このとき近くに別の星が存在していれば、その星の外層にある水素が拝借される。そうして白色矮星は十分な物質を吸い上げると、熱核反応を起こして燃え上がる。爆発が広がって星全体が吹き飛ばされれば、巨大な核爆弾のような1aタイプの超新星の出来上がりだ。
パロマー天文台から見える超新星はまた別の種類だ。この超新星では熱核反応の爆発は起きず、星自体が壊滅的に崩壊していく。ガンマ線バーストを放出するのはこのタイプの超新星に限られ、太陽の8倍を越える質量の恒星は皆、この道を進むことになる。
そこまで重い星となると、重力との戦いには負けざるを得ない。星の外層の強烈な重みがコアにのしかかり、炭素の段階で核融合反応が終わらないのだ。星の内部では軽いニッケルがしだいに重い元素へ変わり、核融合が起きるたびに反応速度も上がっていく。炭素が酸素になるまでには600年の月日がかかるが、酸素がケイ素に変わるまでには6カ月間しかかからない。ケイ素が鉄になる変化に至ってはわずか1日で終了する。
コアが鉄になったころには星全体が地球サイズに縮まり、質量は太陽と同じ程度にまでなる。そこまでくれば星の一生はもう終わったに等しい。1秒も経たないうちに爆発してしまうからだ。
星が鉄になった段階で最期を迎えるのは、核融合のときに軽い元素がエネルギーを放出するのとは違い、鉄は核融合でエネルギーを消費するためだ。核融合が起きても星の外層を支えるエネルギーが補充されなくなるので、なすすべのないコアは内部で崩壊する。そうして超新星爆発が起きた後には通常、中性子星が残される。いわば星の燃えかすのようなものだが、ティースプーンほどの大きさでも質量が10億トン以上に及ぶほど高密度だ。さらに、元の質量が最大級であった星では、中性子星さえ残らないこともある。その場合、かつて星があった場所には、あらゆるものを飲み込むブラックホールがぽっかりと口を開ける。
「崩壊からなんらかの過程を経て超新星爆発に至る前の段階で、ガンマ線が爆発的に放出されることがある」というのがウーズリーの考えだ。もっとも、彼がこの爆発に興味を覚えた数十年前には、まだ解明されていないことが多すぎた。
爆発のきっかけとしては、「星震」と呼ばれる強烈な振動だという説から、宇宙人の乗るロケットの噴射流だという説まで、100あまりの仮説が乱立しているありさまだった。だが、1990年代前半にはガンマ線観測衛星コンプトンが、私たちの銀河のかなたから届くガンマ線バーストの姿をとらえる。この発見を知ってウーズリーの関心はますます高まった。というのも、撮影された明るさで見えるには、想像を絶するほどのエネルギーが必要になる。当初ウーズリーが恋に落ちた超新星をはるかに凌駕する光を生じさせるエネルギーがあると分かったからだ。
そうなると、通常の恒星よりもずっと強いエネルギー源も存在することになる。星が崩壊する過程で起こった大きな振動が、なんらかの形でガンマ線の放射を導くのだろうか。コアの崩壊するタイプの超新星がバーストを放出するプロセスを解明しようと、ウーズリーはこのとき心に決めた。
彼はニューヨーク大学のアンドリュー・マクフェーディエンらとともに、コンピューター上で超新星爆発を再現した。初めに想定したのは太陽の40倍近い質量を持ち、高速で自転している恒星だ。赤道付近の回転速度が毎秒数百キロという、ばらばらにならないぎりぎりの速度を設定する。
シミュレーションの結果、この星は一生を終える間際に重力に耐えられなくなり、コアが崩壊を起こしてブラックホールを形成した。しかし、死に際の星の内部深くで渦巻くブラックホールに何もかもが吸い込まれたわけではなかった。あまりの自転の速さに一部の物質はブラックホールの引力に逆らったのだ。そうした物質はブラックホールの周囲を円盤状に取り巻いた。
「自転こそがカギだった」とウーズリーは説明する。自転がなければ物質の円盤は形成されず、物質の円盤がなければバーストも放出されない。円盤の温度は摩擦熱で220億度まで上昇し、ブラックホールの周辺は毎秒1000回の速さで振動した。その間にも新たな物質が次々と流入していく。そして、ブラックホールの形成からほとんど経たないうちに、過熱状態のガスが外部へ噴き出した。
ガス噴出の直接的なエネルギー源は円盤内の摩擦熱なのかもしれないし、誕生直後のブラックホールのエネルギーが周囲の磁場を介して伝わっているのかもしれない。元々の星と同じくブラックホールもすさまじい勢いで回転しているので、磁場は輪ゴムのように伸縮や断裂を起こして、膨大なエネルギーを円盤に送り込んでいる可能性がある。
いずれにせよ、外部に噴出されたガスは、ほんの10秒のうちに星の表層まで到達する。ここで、初めからあった水素ガスのふわふわした膜が残っていれば、ガスの勢いは止まってガンマ線バーストも生じない。だが、質量の大きな星では、ここまでの過程で内部からの強風が水素ガスを吹き飛ばしている場合がある。すると、ガスはそのまま光速の99％を上回るスピードで宇宙空間へ飛び出していく。
この瞬間にガンマ線バーストは発生した。ガスが噴出するごとに飛び出す物質の固まりが高速で衝突すると、素早く動く電子が続々と生み出される。こうした電子が噴出でできた磁場の周りを旋回するうちに、ガンマ線が外へ放り出されるという仕組みのようだ。ガスの噴出は何日もかけて星間をただよう薄い膜になり、その過程で可視光線や紫外線、電波が発生した。これがアフターグローとして観測される光とみられる。
2006年2月に観測されたガンマ線バーストは、最大級のケースに比べれば暗いものだった。元の星がブラックホールを形成するほど重くなかったのかもしれない。ウーズリーの考えでは、「星の崩壊がブラックホールではなく高速回転する中性子星の形成で終わる場合にも、コアの内部崩壊、回転する円盤の発生、ガスの噴出という同じプロセスを踏んでいる可能性がある」という。
そこまで同じなら、ガスの噴出後に爆発が起こらないのはなぜなのか。「噴出したガスが星の表層に達するのは超新星爆発の直前のことで、バーストはその先駆けになる」とウーズリーは言うが、これだけでは爆発のきっかけはつかめない。ウーズリーはさらに、「星の内部から単にガスが噴き出すだけでは壮大な超新星爆発にはならない」と続けた。「星によって爆発するものと収縮するものに分かれるのは、爆発に絡む別の要因があるからだ」。
星の内部でガンマ線バーストが始まると、回転するブラックホールや円盤状になった物質の固まりから、星をばらばらに吹き飛ばすだけのエネルギーが放出されるとみられている。だが、ほとんどの場合にはコアが地球大になった段階で崩壊が止まり、その後は都市1つ分のサイズまで押しつぶされて中性子星となる。このとき温度は550億度に達し、星は最も収縮するが、コアは縮められたスポンジのように反発し、外部に衝撃波が放たれる。これが、星の外層から流入し続けている物質に衝突しているという。
「かつては、この衝撃波が爆発を呼んで星をばらばらにすると考えられていたが、それほど単純な仕組みではなかった」と話すのはアリゾナ大学のアダム・バロウズだ。
超新星爆発のシミュレーションには、強力な処理能力を持つコンピューターが必要で、最大規模のスーパーコンピューターを使っても爆発を3次元モデルで完全に再現することはできない。しかし、年々モデルが改良され続けた結果、衝撃波をきっかけとする説は打ち崩されることになった。
衝撃波が生じてから1000分の1秒もたたないうちに、崩壊するコアの中心から極めて小さな粒子が放出されていることが判明したのだ。ニュートリノと名付けられたこの粒子はほとんど質量を持たないというのに、衝撃波のエネルギーを吸い取っていた。少なくともコンピューター上では、このために衝撃波がかき消され、超新星爆発が不発に終わることが判明した。
そこで、バロウズらの研究チームは、崩壊時のコアの振動を強力なコンピューターモデルでシミュレーションした。すると、ついに崩壊する星が爆発に至る過程が突き止められたという。コアは荒れ狂うガスの流入で揺り動かされていた。星の外層からなだれ込んだガスがコアを包み込み、コア表面を流れながら内部へも浸透していた。
「コアの規則的な振動が、そこへ到達した物質を刺激していた」とバロウズは語る。振動は0.8秒ほどの間に激しくなり、音波を発生し始めたという。この音波の圧力が物質を外へ押し出し、崩壊で生じた衝撃波を補強していたのだ。バロウズによると、「コアの振動自体も暴走反応で増幅され、その結果、爆発が起こっていた」という。
この音波は、もし十分に近づくことができれば耳で聴くこともできるようだ。鍵盤で言うと真ん中のドの上にあるファの音に近い。
バロウズのコンピューターモデルでは音波だけでなく、爆発が不均等な形で起こる傾向があることも確認された。実際の星の場合と同様に、方向によって爆発の威力に差が生じていたという。これは、20年前に観測され、1604年の超新星以降で最も明るく最も近くで生じた超新星1987Aのケースなどを裏付けるものだ。このほかにも、超新星爆発の後に残ったいくつかの中性子星が、その爆発の巨大な力が一方向に働いたかのように、秒速800キロという高速で移動するのが確認されている。
爆発時の音波の存在については、ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンにある大規模な施設で強力な証拠が確認されるかもしれない。この2施設は、時空をさざ波のように揺らす重力波を検知するために建設されたものだ。重力波はアインシュタインの一般相対性理論で予言されたものの、直接的に観測されたことはない。だが、巨大な天体の振動があれば必ず発生すると考えられているので、超新星のコアの振動もとらえられる可能性がある。
崩壊する星の内部で音波が作用しているのならば、特定の周波数の振動が生じて、対応する重力波を生成しているはずだ。バロウズの計算では、私たちの銀河や近隣の銀河で超新星爆発が起こった場合には、こうした証拠をキャッチし得るという。もし確認できれば、爆発の際の強力な音波の手掛かりも得られることになる。
「星が本当に“ドカーン”と音を立てて爆発していることが分かるかもしれないんだ」と、いまも爆発を愛するウーズリーは顔を輝かせて言った。「まるで神様が僕のために宇宙を用意してくれたような気がするよ」。
