「骨」まで剥き出しになった超新星~宇宙で稀に見る爆発、元素工場の直接的証拠~

2025-08-22 京都⼤学

京都大学の前田啓一教授、武井勇樹特定研究員ら国際研究チームは、外層をほとんど失い最深部が露出した超新星 SN 2021yfj を世界で初めて発見しました。大質量星は進化の過程で玉ねぎ状の層構造を形成し、中心に鉄核、その外層にシリコンや硫黄が存在すると理論的に予測されていましたが、これまで観測的な直接証拠はありませんでした。本研究では、爆発光の分光観測により、水素やヘリウムなど軽い元素の外層が爆発前に失われ、爆発時にはシリコン・硫黄を含む内層がむき出しになっていたことを発見。これは恒星進化モデルを支持する重要な証拠であり、重元素生成の現場を直接示す初の成果です。今回の成果は2025年8月20日付『Nature』に掲載され、同号の表紙を飾りました。最新の探査観測ZTFや、今後本格始動するベラ・ルービン天文台LSST計画などにより、さらなる稀少超新星の発見と恒星進化・元素合成理解の深化が期待されます。

「骨」まで剥き出しになった超新星~宇宙で稀に見る爆発、元素工場の直接的証拠~
超新星SN 2021yfjの爆発直前の大質量星の様子の想像図。外層の大部分が放出されて、シリコンや硫黄を含む中心部がむき出しになっている。©W. M. Keck Observatory / Adam Makarenko

<関連情報>

極端に剥離した超新星がシリコンと硫黄の形成場所を明らかにする Extremely stripped supernova reveals a silicon and sulfur formation site

Steve Schulze,Avishay Gal-Yam,Luc Dessart,Adam A. Miller,Stan E. Woosley,Yi Yang  (杨轶),Mattia Bulla,Ofer Yaron,Jesper Sollerman,Alexei V. Filippenko,K-Ryan Hinds,Daniel A. Perley,Daichi Tsuna,Ragnhild Lunnan,Nikhil Sarin,Seán J. Brennan,Thomas G. Brink,Rachel J. Bruch,Ping Chen,Kaustav K. Das,Suhail Dhawan,Claes Fransson,Christoffer Fremling,Anjasha Gangopadhyay,… Shrinivas R. Kulkarni
Nature  Published:20 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09375-3

Abstract

Stars are initially powered by the fusion of hydrogen to helium. These ashes serve as fuel in a series of stages1,2,3, transforming massive stars into a structure of shells. These are composed of natal hydrogen on the outside and consecutively heavier compositions inside, predicted to be dominated by He, C/O, O/Ne/Mg and O/Si/S (refs. 4,5). Silicon and sulfur are fused into iron, leading to the collapse of the core and either a supernova explosion or the formation of a black hole6,7,8,9. Stripped stars, in which the outer hydrogen layer has been removed and the internal He-rich or even the C/O layer below it is exposed10, provide evidence for this shell structure and the cosmic element production mechanism it reflects. The supernova types that arise from stripped stars embedded in shells of circumstellar material (CSM) confirm this scenario11,12,13,14,15. However, direct evidence for the most interior shells, which are responsible for producing elements heavier than oxygen, is lacking. Here we report the discovery of the supernova (SN) 2021yfj resulting from a star stripped to its O/Si/S-rich layer. We directly observe a thick, massive Si/S-rich shell, expelled by the progenitor shortly before the supernova explosion. Exposing such an inner stellar layer is theoretically challenging and probably requires a rarely observed mass-loss mechanism. This rare supernova event reveals advanced stages of stellar evolution, forming heavier elements, including silicon, sulfur and argon, than those detected on the surface of any known class of massive stars.

1701物理及び化学
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