ブレーザーって何？宇宙線のための銀河系ベーカリー

1911年と1912年、オーストリアの物理学者ヴィクトール・ヘスは、科学研究のため、危険な熱気球飛行を何度も繰り返して空へと飛び立ちました。地上では、研究者たちが機器で謎の高エネルギー粒子の信号を捉えていました。しかし、その信号が何なのか、どこから来たのかは不明でした。そこでヘスは、地上から3マイル（約4.8キロメートル）以上、徐々に空気が薄くなる中で、粒子が上から来たのか下から来たのかを突き止める実験を行いました。

彼の結論はこうだ。粒子は宇宙から来た。ヘスは宇宙線を発見したのだ。宇宙線とは、宇宙の果てまで飛来し、毎日毎秒、地球のあらゆる場所に降り注ぐ、極めてエネルギーの高い陽子と原子核のことだ。

しかし、その後研究は行き詰まってしまいました。確かにヘスは高エネルギー粒子が宇宙から来たことを突き止めましたが、宇宙は広大です。宇宙のどこが？宇宙線は非常にエネルギーが高く、大型ハドロン衝突型加速器の粒子の数千倍ものエネルギーで大気圏に衝突することも珍しくありません。地球外からの破片は、壮大な宇宙の衝突事故で発生したはずですが、放射線は地球に到達する途中で曲がったり偏向したりするため、鑑識による解析は困難です。科学者たちは、地球にやってくる宇宙線、特に高エネルギー粒子のすべてを解明できていません。ヘスの発見以来、天の川銀河内で低エネルギー宇宙線を発生する天体はわずか数個しか見つかっていないのです。

ヘスの発見から1世紀以上が経った今、科学者たちはついに最もエネルギーの高い宇宙線の源を特定した。南極の検出器に捉えられた閃光という単一の信号から出発し、1000人以上の共同研究者による望遠鏡データと組み合わせることで、天体物理学者たちは地球の宇宙線の一部が40億光年離れたブレーザーと呼ばれる銀河に起源を持つことを突き止めた。「これらの活動銀河が粒子や宇宙線の加速に関与していることがわかりました」と、ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者フランシス・ハルゼン氏は述べている。

彼らは約10ヶ月にわたる探究の末、この結論に至りました。これは、望遠鏡からの可視光やX線だけでなく、宇宙を飛び交う極めて軽い粒子「ニュートリノ」の痕跡など、多くの観測機器から得られる多様な信号にアクセスできたからこそ可能になったのです。望遠鏡が宇宙の目だとすれば、ニュートリノ検出器は私たちの耳、あるいは鼻と言えるでしょう。これらの信号は、互いに補完し合う情報を明らかにします。この新しい観測方法は、「マルチメッセンジャー天文学」と呼ばれています。

ニュートリノ検出器がこの事件解決の鍵となった。ニュートリノは高エネルギーの陽子と原子核が飛び交い、衝突することで生成されるため、宇宙線に付随する。高エネルギーニュートリノの発生源を特定できれば、宇宙線も同じ場所から来たと確信できる。ニュートリノの優れた点は、ほとんど何も反応しないことだ。固体を通り抜け、光や磁場とも相互作用しない。「ニュートリノは基本的に、生成された場所から検出される場所まで一直線に進み」とアルバータ大学の物理学者ダレン・グラント氏は語る。検出器がニュートリノの進行方向を識別できれば、ニュートリノの軌跡を、宇宙線のゆりかごとともに誕生した地点まで追跡できる。

グラントとハルゼンのチームは、2017年9月22日、南極の氷の下に1マイル（約1.6キロメートル）ほど埋められた検出器を使って、アイスキューブ・ニュートリノ観測所で単一の高エネルギーニュートリノを検出した。観測所は、望遠鏡の共同研究者たちに、興味深い信号の可能性を知らせる自動メッセージを送信した。しかし、検出器は月に数回同様の信号を観測していたため、特に特別なこととは感じなかった。「数年前からこのような警告を送っていました」と、アルバータ州のオフィスで警告を見たグラントは言う。「かなり日常的な感じでした」。

他の天文学者たちは、いつものように信号の起源を解明しようと試みました。しかし、以前の試みとは異なり、今回はニュートリノが発生した空の一部に、有力な候補が見つかりました。観測から6日後、広島大学の天体物理学者、田中康之氏は、オリオン座の銀河を発見しました。その銀河は、高エネルギーの粒子を吹き飛ばす激しいブラックホールを中心としていました。彼は、この銀河をさらに研究するよう提案しました。

この銀河は数十年前に発見された「ブレーザー」と呼ばれる銀河群に属していました。これらの天体は、時間とともに脈動する放射線を発する「ブレーズ（燃える）」現象にちなんで名付けられており、電波を発する銀河の一種であるクエーサーの一種です。「最初は冗談でしたが、定着しました」と、この研究に貢献したアムステルダム大学の天体物理学者フェリシア・クラウス氏は言います。「素晴らしい言葉です」。クラウス氏の共同研究チームは、フェルミLAT宇宙望遠鏡を運用しており、1000以上のブレーザーをカタログ化しています。

コミュニティはこの銀河についてしばらく前から知っていましたが、他のブレーザーに比べて特に活発ではなかったため、あまり注目されていませんでした。「あまりにも退屈だと思われていました」とクラウス氏は言います。

しかし今回、彼らが再び観測したところ、望遠鏡ははるかに刺激的な光景を映し出しました。ブレーザーはガンマ線と呼ばれる高エネルギー光子を放出しており、ガンマ線はニュートリノや宇宙線とも関連しています。さらに、アーカイブされたニュートリノデータを精査したところ、2014年と2015年にこの領域から十数個のニュートリノ信号が検出されたのです。物理学者たちは、ニュートリノ信号と合わせて、このブレーザーが高エネルギーニュートリノと宇宙線を生成しているとほぼ確信していると述べています。統計分析の結果、同時発生しているガンマ線とニュートリノの活動が無関係である確率はわずか0.1%程度と算出されました。

「これは強力な証拠です」と、アイオワ州立大学の物理学者メイリー・サンチェス氏は述べている。サンチェス氏は今回の研究には関わっていない。しかし、物理学者たちは何かを確かなものと発表するために高いハードルを設けている。このブレーザーがニュートリノと宇宙線を生成していると断言するには、数千倍もの統計的確実性が必要だ。それを達成するには、その方向からより多くのニュートリノを捉える必要があるとサンチェス氏は言う。さらに、このブレーザーが宇宙線を生成していることはほぼ確実だが、他にどのような天体が宇宙線を生成しているのかは分かっていない。ハルゼン氏は、空の他の場所からニュートリノを検出することで、それらを探す計画だと述べている。

そして、なぜこの特別な銀河が、しかもこの場所で発見されたのか、いまだに解明されていない。研究者たちはブレーザーの振る舞いを詳細に解明しておらず、今回の研究以前は、ブレーザーはニュートリノをあまり生成しないと考えられていた。「このブレーザーには何か特別なものがある」とハルゼン氏は言う。「それが何なのかは分からない」。それが何であれ、この分野に新たな火を灯すことは間違いないだろう。

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