天文学者たちは宇宙の磁気の魂を解明している

天文学者が宇宙のさらに遠く離れた領域で磁場を探す新しい方法を見つけ出すたびに、不可解なことに、彼らは磁​​場を発見する。

これらの力場（冷蔵庫のマグネットから放射されるのと同じもの）は、地球、太陽、そしてすべての銀河を取り囲んでいます。20年前、天文学者たちは銀河団全体、さらには銀河と銀河の間の空間にも浸透する磁気を検出し始めました。目に見えない磁力線が、指紋の溝のように銀河間空間を駆け巡っています。

昨年、天文学者たちはついに、はるかに密度の低い宇宙領域、銀河団間の広がりを調査することに成功しました。そこで彼らは、これまでで最大の磁場を発見しました。宇宙の網の目を構成するこの「フィラメント」の全長に及ぶ、1000万光年にも及ぶ磁化された空間です。同じ手法を用いて、宇宙の別の場所で既に2つ目の磁化されたフィラメントが発見されています。「おそらく、私たちが見ているのは氷山の一角に過ぎないでしょう」と、最初の検出を率いたイタリア、カリアリにある国立天体物理学研究所のフェデリカ・ゴヴォーニ氏は述べています。

疑問は、これらの巨大な磁場はどこから来たのかということです。

「これは明らかに、単一の銀河の活動や単一の爆発、あるいは超新星からの風などとは関係がありません」と、ボローニャ大学の天体物理学者で、宇宙磁場の最先端のコンピューターシミュレーションを行っているフランコ・ヴァッツァ氏は述べた。「これはそれらをはるかに超えるものです。」

一つの可能​​性は、宇宙磁気が宇宙誕生にまで遡る原始的なものであるということです。その場合、弱い磁気は宇宙の網の「ボイド」、つまり宇宙で最も暗く空虚な領域でさえ、あらゆる場所に存在するはずです。この遍在する磁気が、銀河や銀河団で開花したより強力な磁場の種となったはずです。

原始的な磁気は、ハッブル・テンションと呼ばれるもう一つの宇宙論上の難問、おそらく宇宙論で最もホットな話題を解決するのにも役立つかもしれない。

ハッブル・テンションの根底にある問題は、宇宙が既知の構成要素に基づいて予想されるよりもはるかに速く膨張しているように見えることです。4月にオンライン投稿され、Physical Review Letters誌で審査中の論文の中で、宇宙学者のカーステン・ジェダムジクとレヴォン・ポゴシアンは、初期宇宙における磁場の弱さが、今日見られる宇宙の膨張速度の加速につながったと主張しています。

原始磁気はハッブル・テンションを非常に簡単に緩和するため、ジェダムジクとポゴシアンの論文は急速に注目を集めた。「これは素晴らしい論文であり、素晴らしいアイデアだ」と、ハッブル・テンションに対する他の解決策を提案しているジョンズ・ホプキンス大学の理論宇宙学者マーク・カミオンコフスキーは述べた。

カミオンコウスキー氏らは、初期の磁気が他の宇宙論の計算を狂わせないようにするために、さらなる検証が必要だと述べている。そして、たとえこの考えが理論上は正しいとしても、研究者たちは原始磁気が宇宙を形作った失われた因子であることを確信するために、決定的な証拠を見つける必要があるだろう。

それでも、ハッブル・テンションが長年議論されてきたにもかかわらず、これまで誰も磁気について考えなかったというのは奇妙なことかもしれない。カナダのサイモン・フレーザー大学の教授であるポゴシアン氏によると、ほとんどの宇宙論者は磁気についてほとんど考えていないという。「誰もがそれが大きな謎の一つであることは知っています」と彼は言った。しかし、数十年もの間、磁気が本当に普遍的で、したがって宇宙の根源的な構成要素であるかどうかを判断する方法がなかったため、宇宙論者たちはほとんど関心を払わなくなっていた。

一方、天体物理学者たちはデータの収集を続け、証拠の重みから、ほとんどの研究者は磁気は確かにあらゆる場所に存在するのではないかと考えるようになりました。

宇宙の磁力の魂

1600年、イギリスの科学者ウィリアム・ギルバートは、天然磁石（天然の磁力を持つ岩石で、人々は数千年もの間、この岩石をコンパスとして利用してきました）の研究から、その磁力は「魂を模倣している」という見解に至りました。彼は地球自体が「巨大な磁石」であり、天然磁石は「地球の極を向いている」と正しく推測しました。

磁場は電荷が流れるたびに発生します。例えば地球の磁場は、地球内部の「ダイナモ」、つまり中心部で渦巻く液体鉄の電流から発生します。冷蔵庫のマグネットや磁石の磁場は、構成原子の周りを回転する電子から生じます。

しかし、運動する荷電粒子から「種」となる磁場が一旦発生すると、より弱い磁場をそれに沿わせることで、磁場はより大きく強くなる可能性があります。「磁気は生物のようなものだ」と、ドイツ、ガルヒンクにあるマックス・プランク天体物理学研究所の理論天体物理学者、トルステン・エンスリン氏は述べています。「磁場は、保持して成長できるあらゆる自由エネルギー源を利用するからです。磁場は広がり、その存在によって他の領域に影響を与え、そこでも成長します。」

ジュネーブ大学の理論宇宙学者、ルース・デュラー氏は、重力以外で宇宙の大規模構造を形作ることができるのは磁力だけだと説明した。なぜなら、磁力と重力だけが広大な距離を越えて「あなたに届く」からだ。対照的に、電気は局所的で短命である。なぜなら、どの領域でも正電荷と負電荷は全体として中和されるからである。しかし、磁場を打ち消すことはできない。磁場は蓄積され、残存する傾向があるからだ。

しかし、その強力さにもかかわらず、これらの力場は目立たない。それらは実体がなく、他の物体に作用している場合にのみ知覚される。「磁場の写真を撮ればいいというものではない。そういう風には機能しない」と、最近の磁化されたフィラメントの検出に関わったライデン大学の天文学者、ラインアウト・ファン・ウェーレン氏は述べた。

昨年発表された論文で、ヴァン・ウェーレン氏と28人の共著者は、アベル399銀河団とアベル401銀河団の間のフィラメントに磁場が存在することを、その磁場が通過する高速電子やその他の荷電粒子の方向を変える様子から推測しました。これらの荷電粒子の軌道が磁場内でねじれる際に、微弱な「シンクロトロン放射」が放出されます。

シンクロトロン信号は低周波で最も強くなるため、ヨーロッパ全土に広がる 20,000 個の低周波無線アンテナのアレイである LOFAR による検出に適しています。

研究チームは2014年に8時間連続でフィラメントからデータを収集していましたが、電波天文学コミュニティがLOFARの測定精度を向上させる方法を長年模索していたため、データはそのまま放置されていました。地球の大気は通過する電波を屈折させるため、LOFARはまるでプールの底から宇宙を眺めているかのように観測します。研究者たちは、天空の「ビーコン」（正確な位置が分かっている電波発信源）の揺れを追跡し、この揺れを補正することですべてのデータのぼやけを除去することでこの問題を解決しました。このぼやけ除去アルゴリズムをフィラメントからのデータに適用すると、すぐにシンクロトロン放射の輝きが観測されました。

フィラメントは、両端から互いに接近している銀河団付近だけでなく、全体的に磁化されているように見えます。研究者たちは、現在分析中の50時間分のデータセットによって、より詳細な情報が明らかになることを期待しています。最近の追加観測により、2つ目のフィラメント全体に広がる磁場が明らかになりました。研究者たちはこの研究結果を近日中に発表する予定です。

少なくともこの2本のフィラメントに巨大な磁場が存在することは、重要な新情報をもたらす。「磁場が比較的強いことがわかったため、多くの研究が活発化しています」とヴァン・ウェーレン氏は述べた。

虚空を貫く光

もしこれらの磁場が初期の宇宙で発生したとしたら、疑問は「どのようにして発生したのか？」となる。「人々はこの問題について長い間考え続けてきました」とアリゾナ州立大学のタンメイ・ヴァチャスパティ氏は述べた。

1991年、ヴァチャスパティは、磁場は電弱相転移、つまりビッグバンのほんの一瞬後に電磁力と弱い核力が区別される瞬間に発生した可能性があると提唱した。一方で、磁気は数マイクロ秒後、陽子が形成された時に実体化したと示唆する者もいる。あるいは、その直後かもしれない。故天体物理学者テッド・ハリソンは、1973年に発表した初期の原始磁気生成理論において、陽子と電子の乱流プラズマが最初の磁場を発生させた可能性があると主張した。さらに、宇宙が磁化されるようになったのは、これら全てよりも前の、宇宙インフレーション（ビッグバンのきっかけとなったとされる爆発的な空間膨張）の時だったという説もある。あるいは、10億年後の構造成長まで磁化が起こらなかった可能性もある。

磁気生成理論を検証する方法は、銀河間空間の最も原始的な部分、例えばフィラメントの静かな部分や、さらに空虚なボイドにおける磁場のパターンを研究することです。磁力線が滑らかか、螺旋状か、あるいは「毛糸玉か何かのようにあらゆる方向に曲がっている」（ヴァチャスパティ氏）か、そして場所やスケールによってパターンがどのように変化するかといった詳細な情報は、理論やシミュレーションと比較できる豊富な情報をもたらします。例えば、ヴァチャスパティ氏が提唱するように、磁場が電弱相転移中に発生したとすれば、結果として生じる磁力線は「コルク抜きのように」螺旋状になるはずだと彼は言います。

問題は、押す対象がない力場を検出するのが難しいことです。

1845年にイギリスの科学者マイケル・ファラデーが開拓した手法の一つは、磁場が通過する光の偏光方向を回転させる様子から磁場を検出するというものです。「ファラデー回転」の量は、磁場の強さと光の周波数に依存します。そのため、異なる周波数で偏光を測定することで、視線に沿った磁気の強さを推測することができます。「異なる場所から測定すれば、3Dマップを作成できます」とエンスリン氏は述べています。

研究者たちはLOFARを用いてファラデー回転の大まかな測定を始めているが、この望遠鏡は極めて微弱な信号を検出するのに苦労している。国立天体物理学研究所の天文学者でゴヴォニ氏の同僚であるヴァレンティーナ・ヴァッカ氏は数年前、空洞の測定結果を多数積み重ねることで、微細なファラデー回転信号を統計的に抽出するアルゴリズムを考案した。「原理的には、この方法は空洞の検出に利用できます」とヴァッカ氏は述べた。

しかし、ファラデー技術が本格的に実用化されるのは、次世代電波望遠鏡である「スクエア・キロメートル・アレイ」と呼ばれる巨大な国際プロジェクトが2027年に始動した時だ。「SKAは素晴らしいファラデーグリッドを生み出すはずです」とエンスリン氏は語った。

今のところ、ボイド内の磁気の唯一の証拠は、ボイドの後ろにあるブレーザーと呼ばれる物体を観測者が見るときには見えないものである。

ブレーザーとは、超大質量ブラックホールによってエネルギーを与えられたガンマ線やその他の高エネルギー光・物質の明るいビームです。ガンマ線は宇宙空間を移動する過程で、通過する他の光子と衝突し、電子と陽電子に変化します。これらの粒子はその後、他の光子と衝突し、低エネルギーのガンマ線に変換されます。

しかし、ブレーザーの光が磁化された空間を通過すると、低エネルギーのガンマ線は消失するように見えると、ジュネーブ天文台のアンドリー・ネロノフとイエフゲン・ヴォフクは2010年に推論した。磁場が電子と陽電子を視線から逸らすため、低エネルギーのガンマ線が生成されても、そのガンマ線は私たちには届かないからだ。

実際、ネロノフ氏とヴォフク氏が適切な位置にあるブレーザーのデータを解析したところ、高エネルギーガンマ線は観測されたものの、低エネルギーガンマ線信号は観測されなかった。「信号がないということこそが信号なのです」とヴァチャスパティ氏は述べた。

無信号は決定的な証拠とは言い難く、ガンマ線の消失については代替的な説明が提案されてきた。しかし、その後の観測は、ボイドが磁化されているというネロノフとヴォフクの仮説をますます裏付けている。「これが大多数の見解です」とデュラー氏は述べた。最も説得力があったのは、2015年にあるチームがボイドの背後にあるブレーザーの測定値を多数重ね合わせ、ブレーザーの周囲に低エネルギーガンマ線のかすかなハローを出現させることに成功したことだ。この効果は、粒子が微弱な磁場（冷蔵庫のマグネットの1兆分の1の100万分の1程度）によって散乱されているとすれば、まさに予想される通りの効果である。

宇宙論最大の謎

驚くべきことに、この原始的な磁気の正確な量は、ハッブル・テンション、つまり宇宙の異常に速い膨張の問題を解決するのにちょうど必要なものである可能性がある。

ポゴシアン氏は、フランスのモンペリエ大学のカルステン・ジェダムジク氏と共同研究者による最近のコンピューターシミュレーションを見て、まさにそのことに気づいた。研究者たちは、プラズマで満たされた若い宇宙をシミュレートし、弱い磁場を加えたところ、プラズマ中の陽子と電子が磁力線に沿って飛行し、最も弱い磁場の領域に集まることを発見した。この凝集効果により、陽子と電子は本来よりも早く水素に結合し、再結合と呼ばれる初期の相変化を起こす。

ポゴシアン氏はジェダムジク氏の論文を読んで、これがハッブル・テンションに対処できるのではないかと考えた。宇宙学者は、宇宙の再結合の際に放出される古代の光を観測することで、現在の宇宙がどのくらいの速さで膨張しているかを計算している。その光は、原始プラズマの中を音波が跳ね回ってできた塊が点在する若い宇宙を示している。再結合が磁場の凝集効果によって想定よりも早く起こったとすれば、音波はそれ以前にはそれほど遠くまで伝わっておらず、結果として生じた塊はより小さいはずだ。つまり、再結合の時点から空に見える塊は、研究者が想定していたよりも私たちの近くにあるはずだ。塊から発せられた光は、私たちに届くまでの距離が短く、つまり光はより速く膨張する空間を横断していたに違いない。「膨張する表面の上を走ろうとするようなものだ。走る距離が短くなる」とポゴシアン氏は語った。

結局のところ、小さな塊はより高い宇宙膨張率を意味することになり、その推定値は超新星やその他の天体が実際にどれくらいの速さで飛び散っているかを示す測定値にかなり近づくことになる。

「これは磁場の実際の存在を示しているのかもしれないと思いました」とポゴシアン氏は語った。「それですぐにカーステン氏に手紙を書いたのです」。二人はロックダウン直前の2月にモンペリエで会った。彼らの計算によると、ハッブル・テンションに対処するために必要な原始磁気の量は、ブレーザーの観測結果や、銀河団やフィラメントに広がる巨大な磁場を成長させるために必要な初期の磁場の推定値とも一致することが示された。「ですから、もしこれが正しければ、すべてがうまくいくのです」とポゴシアン氏は言った。

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。

訂正：2020年7月6日午後6時15分（米国東部標準時）：この記事の以前のバージョンでは、ブレーザーからのガンマ線はマイクロ波に衝突すると電子と陽電子に変化すると記載されていました。実際には、ガンマ線が様々な種類の光子に衝突すると、この変化が起こります。本文と付随する図表は変更されました。

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