天文学者、高速電波バーストの起源をマグネターで追跡

4月28日の朝、ブリティッシュコロンビア上空の静かな空を監視していた新設の電波望遠鏡が、全てを変えることになる閃光を捉えた。この望遠鏡の任務の一つは、高速電波バーストの探査だった。高速電波バーストとは、それまで遠方の銀河から発生していた数ミリ秒単位の電波の爆発現象である。このような短い電波の爆発を何が引き起こすのか、誰も確信を持っていなかったため、高速電波バーストは天体物理学における最も興味深い謎の一つとなっている。

カナダ水素強度マッピング実験（チャイム）は、2018年7月の稼働開始以来、既に数百の高速電波バーストを観測している。通常のバーストは、装置のアンテナ2～5個で観測される程度だが、今回のバーストは93個もの高速電波バーストを引き起こした。「まるでクリスマスツリーのように望遠鏡を明るく照らしました」と、トロント大学の天文学者でチャイムチームのメンバーであるポール・ショルツ氏は語った。

ショルツ氏と同僚たちは、閃光が非常に明るかったという理由だけでなく、バーストがすぐ近くにあったに違いないとすぐに気づいた。フレアは、天の川銀河の天体がX線を放射していた場所から発生したように見えた。この偶然の一致は強力で、もし確認されれば、天文学者は高速電波バーストの原因を解明できるだろう。

しかし、問題がありました。バーストは、当時チャイムが直接観測していた空から遠く離れていたのです。そのため、研究チームはその絶対的な明るさを正確に測定することができませんでした。その情報がなければ、バーストが真の高速電波バーストと呼べるほど強力だったかどうかをすぐに判断することはできませんでした。確かに、バーストは短時間で明るかったのですが、非常に近かったので、その明るさは予想通りでした。もしかしたら、単なる低エネルギーのバーストで、大規模な噴火の手がかりにはならないかもしれません。

ショルツ氏は直ちに天文学者電報にメッセージを送り、世界中の他の望遠鏡に警告を発しました。カリフォルニア工科大学の天文学者たちはこの警告を目にし、それぞれの観測データを素早くスキャンしました。特定の時間に空の小さな部分を観測するチャイムとは異なり、カリフォルニア工科大学の過渡天文電波放射サーベイ2（Stare2）望遠鏡は一度に全天を観測するため、カリフォルニア工科大学のチームはバーストが非常に強力であることをすぐに確認することができました。ほんの一瞬の間、この電波源から放出された電波は太陽の電波と同じくらい明るくなりました。これにより研究者たちは簡単な計算を行い、このバーストが銀河系外高速電波バーストに匹敵することを確認しました。

天文学者たちはその後、既に知られていた発生源、すなわちマグネターと呼ばれる超高密度で高速回転し、高度に磁化された恒星核の残骸に着目した。幸運な発見によって、高速電波バーストの発生源の謎は解明されたかに見えた。「パズルの大きな部分を一気に解き明かすような、非常に印象的な手がかりを得ることは、そうそうあることではありません」と、オランダ電波天文学研究所とアムステルダム大学のジェイソン・ヘッセルズ氏は述べた。「通常、私たちは大きな飛躍を遂げるのではなく、問題を少しずつ解決していくようなものです。」

原因が判明したことで、天文学者たちは今、そこで起こっている物理現象の核心部分を正確に解明することに集中できる。ここ1ヶ月、マグネターがどのようにしてこれほど鮮やかな電波の閃光を発するのかについて理論家たちが推測する論文が数多く発表されている。マグネターが強力なフレアで荷電粒子を爆発させることで、このプロセスが始まる可能性が高い。しかし、天体物理学者たちは、そのフレアがどのようにして電波の閃光を発生させるのかについて議論している。ヘッセルズ氏は、「これはまるでマジシャンを特定し、そのトリックの背後にある秘密を解読しようとするようなものだ」と述べた。

バーストの破裂の仕組み

天文学者たちは高速電波バーストを説明するために、これまで約50もの理論を提唱してきました。これは最近まで、バーストの発生件数を上回っていました。これらの理論には、蒸発するブラックホール、宇宙ひもの切れ目、さらには異星文明の推進システムなど、様々な突飛なシナリオが含まれています。

しかし、検出数が増えるにつれて、科学者たちは他の説明よりも一つの説を支持するようになった。それはマグネターだ。「マグネターの特性のいくつかは、何らかの磁化された中性子星から来ていることを如実に物語っていた」と、コロンビア大学の天体物理学者ブライアン・メッツガー氏は述べた。例えば、高速電波バーストの電波は高度に偏光しており、これは強力な磁場から来ていることを示唆している。また、持続時間が短いことから、比較的小さな天体から来ていることが示唆される。そして、マグネターは相当なエネルギーの蓄積によって駆動されているに違いない。

しかし懐疑論者は、もしマグネターが発生源なら、銀河系内で高速電波バーストが観測されるはずだと主張してきた。そして今回のバーストは、まさにその通りになった。「ある意味、大きな安堵です」と、マグネターモデルの研究に携わってきたメッツガー氏は語った。「何年もかけて積み上げてきた研究を無駄にしなかったということですから」

今後の課題は、マグネターがどのようにして短時間の電波バーストを発生させるのかを正確に突き止めることです。多くの説は、マグネターがエネルギーフレア（多くの場合、電子と陽電子の対の形で）を放出することから始まります。これらのフレアは、大きく分けて2つのメカニズムのいずれかによって電波を生成します。1つは磁気圏（マグネターを取り囲む強力な磁場）内で発生するもので、もう1つは磁気圏のはるか外側で発生するものです。前者のシナリオでは、エネルギーフレアは磁力線を介して恒星の地殻に固定されたままです。地殻が絶えず揺れ動くにつれて、これらの磁場はねじれ、より単純な状態へと変化し、即座にレーザーのような電波の閃光を放出します。

メッツガーらが昨年発表した2つ目のシナリオでは、エネルギーフレアが磁気圏を抜け出し、マグネター半径の最大100万倍に及ぶ長距離を移動する。ここでフレアはマグネターを取り囲む古いデブリに激突し、衝撃波を発生させる。この衝撃波は外側へ広がり、その前方の磁化されたプラズマを圧縮し、その背後に磁場を形成する。次に、電子が衝撃波の前面に巻き上げられ、磁場の周りを回転運動を始める。このダンスにより、別のレーザーのような電波の閃光が放射される。このモデルは重要な予測を行っている。電波放射を発生させる同じ衝撃波が電子を加熱し、X線を放射するはずである。実際、バーストは電波の10万倍ものエネルギーをX線で放出するはずである。

しかし、高速電波バーストが遠方の銀河からのみ発生している場合、この予測を検証することは不可能です。理由は単純です。X線望遠鏡は電波望遠鏡ほど感度が高くないからです。たとえX線エネルギーがどれだけあっても、私たちには観測できません。

しかし、バーストが私たちの宇宙のすぐ近くで発生したとなると、状況は一変する。この新たなバーストの完全なX線分析により、膨大な量のX線放射が放出されたことが判明した。これはメッツガー氏の予測と完全に一致している。「このモデルがこれほどうまく機能していることに驚いています」とメッツガー氏は語った。「少し刺激を受けて、『これは時間をかける価値があるかもしれない』と思わせてくれるのです」

マグネターアトラクション

単一の事象だけでは全ての高速電波バーストがマグネター由来であると証明することはできませんが、カリフォルニア工科大学の天文学者ヴィクラム・ラヴィ氏は、バーストの多様な挙動を説明するために他の天体を持ち出す理由はないと考えています。また、この発見以前からマグネターの存在を示唆する証拠が多数存在していたことを考えると、メッツガー氏は、様々な種類のマグネターが、私たちが観測する様々な高速電波バーストを説明できると考えるのは妥当だと指摘しています。例えば、繰り返し発生する高速電波バーストは、私たちの銀河系よりもはるかに強い磁場を持つ、若く活動的なマグネターから発生する可能性があります。

この関連性は、高速電波バーストを用いて遠方宇宙のマグネターを特定できることを意味します。科学者はこれらの極限天体の調査を行い、その起源をより詳細に説明できるようになります。私たちの銀河系では、マグネターは明るい超新星爆発によって形成されると考えられています。しかし、もし大質量星のない銀河でもマグネターが観測され始めれば、2つの中性子星の衝突など、より特異な方法でマグネターが形成される可能性を示唆するかもしれません。

しかしまずは、科学者たちは近くのマグネターを監視し、衝撃的なほど近いバーストが再び観測されることを期待している。マグネターとの関連性は全くの驚きではなかったものの、彼らはより多くの例によってそれが裏付けられることを望んでいる。「『なんてことだ、本当にそうだ』という衝撃が今でも残っています」とヘッセルズ氏は語った。「紙の上で数式を書いたのと、それが実際に現実であり、私たちが証明したという事実に直面するのとでは、大きな違いがあります。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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