星の死に際の“破壊的核燃焼”を明らかに~超新星残骸から爆発直前の激しい核燃焼過程の観測的証拠を掴む~

2025-09-03 明治大学

明治大学・東京大学・京都大学らの国際共同研究チームは、超新星残骸「カシオペア座A」のX線観測から、大質量星が爆発する直前に内部で起きる「破壊的核燃焼」の証拠を世界で初めて捉えました。通常、星の内部構造は観測できませんが、爆発で放出された物質に含まれる元素情報から内部の記憶を辿る新手法を確立。観測の結果、酸素・マグネシウム・シリコンといった異なる元素が不均一に混ざっていることを発見し、これは爆発直前に起こる「シェルマージャー」と呼ばれる激しい核融合反応によって玉ねぎ状の層構造が破壊された痕跡であると結論づけました。この現象は爆発の数時間前に発生したとされ、星の「死に際の瞬間」を直接示す観測的証拠となります。本成果は、超新星爆発が成立する条件や、大質量星が超新星になるかブラックホールに崩壊するかを左右する重要要因を理解する上で大きな前進となり、宇宙物理学の難題である爆発メカニズム解明に新たな知見を提供します。研究成果は The Astrophysical Journal に掲載されました。

星の死に際の“破壊的核燃焼”を明らかに~超新星残骸から爆発直前の激しい核燃焼過程の観測的証拠を掴む~
図 1: チャンドラ衛星の観測によるカシオペア座AのX線画像 (赤: 酸素、緑: マグネシウム、青: シリコン)。
三色の混合具合の違いが爆発前の恒星の激しい核燃焼過程で形成されたと考えられる。

<関連情報>

カシオペアA超新星発生直前数時間における不均一な恒星混合 Inhomogeneous Stellar Mixing in the Final Hours before the Cassiopeia A Supernova

Toshiki Sato, Kai Matsunaga, Hiroyuki Uchida, Satoru Katsuda, Koh Takahashi, Hideyuki Umeda, Tomoya Takiwaki, Ryo Sawada, Takashi Yoshida, Ko Nakamura,…
The Astrophysical Journal  Published: 2025 September 2
DOI:10.3847/1538-4357/aded14

Abstract

Understanding stars and their evolution is a key goal of astronomical research and has long been a focus of human interest. In recent years, theorists have paid much attention to the final interior processes within massive stars, as they can be essential for revealing neutrino-driven supernova mechanisms and other potential transients of massive star collapse. However, it is challenging to observe directly the last hours of a massive star before explosion, since it is the supernova event that triggers the start of intense observational study. Here, we report evidence for a final phase of stellar activity known as a “shell merger,” an intense shell burning in which the O-burning shell swallows its outer C-/Ne-burning shell, deep within the progenitor’s interior moments before the supernova explosion. In the violent convective layer created by the shell merger, Ne, which is abundant in the stellar O-rich layer, is burned as it is pulled inward, and Si, which is synthesized inside, is transported outward. The remnant still preserves some traces of such Ne-rich downflows and Si-rich upflows in the O-rich layer, suggesting that inhomogeneous shell-merger mixing began just hours (≲104 s) before its gravitational collapse. Our results provide the first observational evidence that the final stellar burning process rapidly alters the internal structure, leaving a pre-supernova asymmetry. This breaking of spherical symmetry facilitates the explosion of massive stars and influences various supernova and remnant characteristics, including explosion asymmetries and the neutron star’s kick and spin.

1701物理及び化学
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