AIがリアルタイムで稀少な超新星 SN 2023zkd を検出

稀少な超新星 SN 2023zkd が 発見され、人工知能（AI）の助けを借りた天文学者によって。

AIは 現在、さまざまな産業で広く利用されています 金融、医療、製造、サイバーセキュリティ、災害管理、カスタマーサービスなどです。繰り返し作業を自動化し、疲労なく継続的に稼働し、膨大な複雑データを処理・分析し、エラーを最小化し、意思決定を改善することで、世界を変革しています。

機械が通常は人間の知能に関係するタスクを実行する能力を指すこの技術は、空にある新しい天体を検出し、宇宙に対する理解を深めることにも役立っています。

例えば、数か月前、AIは国際的な天文学者チームがブラックホールに関するデータを評価することで宇宙の謎を解明するのを支援しました。1,200万以上のシミュレーションを使用し、研究者は銀河系の中心ブラックホールがほぼ最大速度で回転していることを発見しました。

これを実現するために、チームは合成シミュレーションを用いてネットワークを訓練し、ブラックホールに関する新たな宇宙的洞察の発見を可能にしました。

ネットワークは、2022年にEvent Horizon Telescope（EHT）協力体が提示したブラックホールSagittarius A*の画像背後のデータから情報を抽出できるように訓練されました。

以前の研究がごく少量の実際的な合成データのみを使用したのに対し、最新の研究ではCHTCのハイスループット計算能力により、何百万ものファイルをベイジアンニューラルネットワークに投入し、EHTデータとモデル間のより正確な比較を行いました。

ニューラルネットワークは、ブラックホールがほぼ最高速度で回転しており、近傍の放射はジェットではなく、周囲の降着円盤内の極めて高温の電子によるものと示唆しました。さらに、円盤内の磁場は以前に想定されていたものとは異なる挙動を示しているようです。

「支配的な理論に挑戦していることは、もちろん興奮すべきことです。しかし、我々のAIと機械学習アプローチは主に第一歩と見なしています。次に、関連するモデルとシミュレーションを改良・拡張する予定です。」

昨年の別の研究では、AIを用いて5つの宇宙論的パラメータ、すなわち宇宙の設定¹を高精度で決定しました。これらのパラメータは、10万以上の銀河に関する情報を含むデータセット（SDSS）から抽出され、宇宙が最大スケールでどのように機能するかを決定します。

データセットから有用な情報を抽出するために、チームはまずAIに何を探すべきかを学習させ、そのために2,000個のシミュレートされた宇宙を作成しました。各宇宙は異なる宇宙論的設定と、銀河調査で経験される実際の課題を持っています。

その後、SDSSバリオン振動分光調査からの実データを投入し、天文学者が少ないデータでより多くを行い、天文学の限界を押し広げることを可能にする印象的な結果が得られました。

最新の発見では、科学者たちはLightcurve Anomaly Identification and Similarity Search（LAISS）という新しいAIシステムを使用しました。このシステムはSpotifyアルゴリズムに基づいています。

グローバル研究大学であるUCサンタクルズが開発したこのシステムは、超新星 SN 2023zkd の特徴を既知の天体データセットと比較し、稀少な現象を示す可能性のある異常を検出します。AIが注目に値するものを見つけると、リアルタイムで研究者に候補を送ります。

そのAIシステムを使用して、天文学者は超新星の爆発から数時間以内にそれを特定できました。超新星は星の極めて強力で明るい爆発で、宇宙で最も光度の高い現象の一つであり、一時的に銀河全体をも凌駕します。

超新星は宇宙にとって不可欠な存在であり、重元素を生成・拡散させ、将来の星や惑星、生命の基本的な構成要素となります。

これらは短命な現象ですが、SN 2023zkd が消える前に研究者は迅速な追跡観測を行うことができました。証拠は、この特定の爆発が巨大星がブラックホールの伴星と壊滅的な遭遇をした結果であることを示唆しています。

伴星は星を部分的に飲み込んだか、星が自ら爆発する前に引き裂いた可能性があります。

注目すべきは、天文学者が使用したAIは、医療診断、金融詐欺防止、国家安全保障などにも応用でき、システムの汎用性と幅広い能力を示している点です。

宇宙爆発を最初の瞬間に捉える

最新の発見は今月、天文学の協力体によって報告されました。彼らは、ブラックホールと軌道を共有する巨大星の爆発を指摘しました。この発見は、爆発直後の星を積極的に探すAIシステムの助けで実現しました。

この爆発は SN 2023zkd と名付けられ、2年前に Zwicky Transient Facility によって最初に検出されました。新しいAIモデルを通じて特定され、リアルタイムで異常な爆発や宇宙イベントをフラグするよう設計されています。

早期警報により、研究チームはすぐに追跡観測を開始でき、爆発の最初の段階から捉え、全容を把握し、起源を探る重要なステップとなりました。

爆発が終わった後、宇宙と地上の望遠鏡で観測されました。このケースでは、ハワイの天文研究観測所（ハレアカラ）にある2つの望遠鏡が、UCサンタクルズ拠点のYoung Supernova Experiment（YSE）によって使用されました。

「このような超新星はこれまで見られたことがなく、非常に稀である可能性があります。」

– ライアン・フォリー、UCサンタクルズ 天文学・天体物理学准教授

人間も「他と違う」ものを見つけるのが得意ですが、彼が指摘するように、AIアルゴリズムはそれらを私たちが気付くよりはるかに早くフラグでき、時間に敏感な観測にとって重要です。

フォリーのチームは実際にYSEを運営しており、これは超新星（SNe）や他の宇宙トランジェントを爆発から数時間または数日以内に発見することを目的とした時間領域サーベイです。主にPan-STARRS望遠鏡で運用され、近日中に3日ごとに1500平方度の天空を調査する予定です。

公式ウェブサイトによれば、YSEの目標は若く、赤く、稀なトランジェントの統計サンプルを見つけることです。また、ブラックホールの変動性をよりよく理解することも目指しています。

3日ごとに夜空の約4％を調査することで、チームは数千件の新しい宇宙爆発を発見し、そのうち数十件は爆発から数日または数時間後に観測されています。

現在、彼らは SN 2023zkd に関して興味深いことを発見しました。その詳細は『二重ピーク、ヘリウム豊富な Type IIn 超新星 2023zkd における不安定性誘発二元合体の証拠』という研究で述べられています。この研究は『Astrophysical Journal』に掲載され、NASA、米国国立科学財団、ムーア財団、パッカード財団から資金提供を受けています。

最新の発見を行った天文学者によれば、巨大星とブラックホールの衝突は必然的に起こるものでした。

星はブラックホールと軌道を共有しており、軌道エネルギーが失われるにつれて互いに近づきました。分離は縮小し続け、ブラックホールの強大な重力が星から塵とガスを引き寄せて円盤を形成しました。

この過程は続き、星が密度の高いブラックホールを飲み込む前に、後者の重力的ストレスが星を爆発させました。

爆発が円盤の上下にある以前の相互作用からの物質シェルと衝突した際、劇的な再明るくなる現象が引き起こされました。

「私たちの分析は、爆発がブラックホール伴星との壊滅的な遭遇によって引き起こされたことを示しており、こうした近接相互作用が実際に星を爆発させ得るという最も強力な証拠です。」

ほとんどの巨大星がバイナリ系にあることは知られていますが、ガリアーノは「爆発直前に質量交換を行っている様子を捉えることは信じられないほど稀です」と指摘しました。

しかし、これが唯一の解釈ではありません。チームは実際に超新星の起源シナリオを複数検討しました。

別のシナリオは、科学者チームによれば、ブラックホールが「スパゲッティ化」と呼ばれる過程で巨大星を完全に引き裂き、星が自ら爆発する前に破壊したというものです。その後、ブラックホールは星の残骸を引き込み、残骸が周囲のガスに衝突して明るい光を放ちました。しかし、データはこのシナリオを強く支持しているわけではありません。

どちらのシナリオでも、残るのはより重いブラックホールだけです。研究によれば、光学的な前駆光の増光と爆発の特性は、巨大で半分剥がれたヘリウム星が不安定性誘発的にブラックホール伴星と合体するケースと最も一致しています。

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超新星 SN 2023zkd の奇妙な生涯

SN 2023zkd は地球から約7億3000万光年離れた場所に位置しています。当初は、時間とともにゆっくりと暗くなる単一の光のバーストである通常の超新星に見えました。しかし、実際はそうではありませんでした。

天文学者が数か月にわたり SN 2023zkd の減衰を監視し続けた結果、超新星が再び明るくなることを発見しました。そこで、チームはこの異常な挙動を解明するためにアーカイブデータを調査し、別の独特な特徴を明らかにしました。

この特異な超新星の紫外線から赤外線までの観測は、発見前数年にわたる持続的で光度の高い前駆放射を示し、最終年にはゆっくりとした増光の第二段階が続きました。

発見後、超新星は240日（約8か月）間隔で2つの同程度の明るさのピークを示しました。

スペクトル的には、強く非対称で多成分のバルマー線と He I プロファイルを示しました。これらは星のスペクトルで観測される水素（H）とヘリウム（He）の特定のスペクトル線で、銀河や他の宇宙対象における星集団の年齢と組成を決定するために使用されます。

したがって、爆発が起こる前から、システムはすでに4年以上（約1500日）にわたりゆっくりと明るさを増していました。このような爆発前の長期的な活動は、超新星ではめったに見られません。

星は実際に死ぬ前に2回の大規模噴火を経験しました。詳細な分析は、爆発光が星が死ぬ数年前に放出した物質によるものであることも示しました。

「2023zkd は、爆発前数年に巨大星が伴星と相互作用していることの最も明確な兆候のいくつかを示しています」と、マサチューセッツ州ハーバード大学の天文学助教授で本研究の共同著者であるアシュリー・ビラールは述べました。「これは、AIが発見を支援する隠れた爆発の全クラスの一部かもしれません」

したがって、爆発前の増光は、超新星の衝撃波が低密度ガスに衝突した結果です。数か月後の別のピークは、密度の高い円盤状の雲とのゆっくりとした持続的な衝突の結果でした。

この特定の構造と爆発前の挙動は、死にゆく星が極端な重力ストレス下にあり、近くのコンパクトな伴星（例えばブラックホール）からの影響であることを示唆しています。多くの議論の末、チームはそれがブラックホールを伴う二元系であるという説明に至りました。

観測結果が彼らの説明と一致していることを確認するため、チームはシステムを構築し、体系的にそれを実証しました。

チームは「データを統合し観測を管理するためのソフトウェアプラットフォームを構築しました。本研究で使用されたAIツールはこのソフトウェアエコシステムに統合されています」とフォリーは述べました。

最新の研究は、リアルタイムで稀な宇宙イベントを検出する上でのAIの重要性を示す一方で、天文学者は次の10年でヴェラ・C・ルービン観測所などの施設が果たす重要な役割にも言及しています。

以前はLarge Synoptic Survey Telescope（LSST）として知られていたこの観測所は、チリのアンデス山脈に位置し、8.4メートルの望遠鏡と、数夜ごとに南半球全体を記録する最大規模のデジタルカメラを備えています。その目的は、暗黒物質の性質を理解し、太陽系内の小惑星や彗星などの天体の目録を作成し、ブラックホールや爆発星を探査し、銀河系をマッピングすることです。

Rubin観測所からの次世代調査（Legacy Survey for Space and Time）が年間約10⁵件の発見を見込む中、研究はSNe IInの光度サンプルが今年大幅に増加すると指摘しました。研究は次のように述べています：

「これらの長寿命で再明るくなるトランジェントをフラグするよう設計されたアルゴリズムは、強く相互作用するイベント全体を特徴付ける上で重要な役割を果たします。」

Rubin観測所からの観測とリアルタイムAI検出を組み合わせることで、天文学者はより稀で複雑なイベントを発見・研究でき、巨大星が二元系でどのように生き、死ぬかをよりよく理解できるようになります。

「我々は現在、これらの稀なイベントを事後ではなく、発生時に自動的に捉える時代に突入しています。つまり、星の生涯と死をつなげることがついに可能になり、これは非常にエキサイティングです。」

– ガリアーノ

一方、フォリーはAIの挙動を予測することは難しいものの、依然として高度であり、天文学を超える多くの用途があると指摘しました。彼は次のように述べました：

「同様の手法が疾患のスクリーニング、テロ攻撃への注意喚起、メンタルヘルス問題の早期治療、金融詐欺の検出に利用されることは容易に想像できます。リアルタイムで異常を検出できる場所であれば、これらの技術は最終的に重要な役割を果たすでしょう。」

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宇宙技術への投資

いくつかの上場企業がAI宇宙探査技術分野で戦略的に位置付けられている中、Northrop Grumman (NOC ) は宇宙ミッションの主要請負業者として際立っています。

これには、史上最大かつ最も複雑な宇宙望遠鏡が含まれます。NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はNorthrop Grummanと提携して建設され、観測装置の設計、開発、システム統合を主導しました。2022年に望遠鏡は最初の画像を公開しました。

Northrop Grumman (NOC )

同社は宇宙におけるAIの活用を拡大し、宇宙船の運用改善に取り組んでいます。AIロボティクス技術を開発することで、将来の宇宙ミッションを含む高度に複雑な環境での運用を可能にすることを目指しています。エージェンティックAIは、宇宙船運用のすべてのフェーズでの適用がさらに計画されています。

一般に、同社はグローバルな航空宇宙・防衛技術企業として、Space Systems、Mission Systems、Defense Systems、Aeronautics Systems の主要セグメントで事業を展開しています。

執筆時点でNOC株式の時価総額は848億ドルで、取引価格は592.44ドル、年初来（YTD）で26.24%上昇しています。EPS（TTM）は25.36、P/E（TTM）は23.36です。Northrop Grumman の株主は1.56%の配当利回りを享受しています。

2025年第二四半期の財務について、同社は売上高104億ドル、純利益12億ドル、希薄化後1株当たり8.15ドルを報告しました。

営業利益は3億3500万ドル、営業活動による純現金は5億5700万ドル、フリーキャッシュフローは4億6800万ドルでした。四半期の純受注額は74億ドル、総受注残高は897億ドルでした。

「私たちは顧客と協力し、能力提供を加速させ、力による平和というビジョンを実現しています。幅広い製品ラインに対する世界的な需要の増加を引き続き見ています。」

– CEO キャシー・ウォーデン

同社はまた、自己株式の買い戻しと配当を通じて7億ドル以上を株主に還元しました。

天文学とそれ以外におけるAIの役割

AIは産業を変革しており、天文学でも重要なツールとなり、科学者が SN 2023zkd のような稀で一瞬の宇宙イベントをリアルタイムで捕捉できるようになりました。これは数年前にはほぼ不可能でした。

AIツールが大規模な天空調査やRubinのような観測所と組み合わさることで、さらなる発見への扉が開かれ、同じ技術が医療、金融、国家安全保障などにも応用できることは、巨大なクロスオーバー潜在力を示し、イノベーションの新時代を告げています。

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参考文献：

1. Hahn, C., Lemos, P., Parker, L., et al. SimBIG 推論フレームワークを用いた非ガウス・非線形銀河クラスタリングからの宇宙論的制約。Nature Astronomy, 8, 1457–1467, 2024年8月21日掲載。 https://doi.org/10.1038/s41550-024-02344-2
2. Gagliano, A., Villar, V. A., Matsumoto, T., Jones, D. O., Ransome, C. L., Nugent, A. E., Hiramatsu, D., Auchettl, K., Tsuna, D., Dong, Y., et al. 二重ピーク、ヘリウム豊富な Type IIn 超新星 2023zkd における不安定性誘発二元合体の証拠。The Astrophysical Journal, 989, 182, 2025年8月13日掲載。 https://doi.org/10.3847/1538-4357/adea38