天文学者、高速電波バーストの発生源を宇宙の最近傍まで追跡

2016年のクリスマスイブ、プエルトリコのアレシボ天文台の天文学者アンドリュー・シーモアは、4歳の娘コーラ・リーにおやすみのキスをし、サンタクロースを追いかけに行くと告げた。使い古された望遠鏡へと歩みを進めながら、時折、人気のない通りを馬に乗ってお祭り騒ぎをする人々とすれ違った。これは、クリスマスシーズンのアレシボではよくある光景だ。時折、遠くで寂しげな花火が上がることもあった。真夜中近く、彼は警備員に会釈し、ほぼ誰もいない施設内に入った。

電波パラボラアンテナは通常の運用を休止していたため、シーモアは同僚と共同で開発を進めていた新しい機器をテストすることにしました。観測データの記録を開始するとすぐに、30億光年離れた極めて強力な電波源が彼に挨拶をしました。シーモアはそのクリスマスにサンタクロースを見つけたのではなく、宇宙で最も神秘的な天体の一つにまつわる物語に、思いがけない展開が訪れたのです。

シーモアがその夜捉えた天体は、唯一知られている反復する高速電波バースト（FRB）だった。これは、不規則な間隔で点滅する超短時間のエネルギー閃光である。天文学者たちは、この謎の反復バーストの原因について議論を続けていた。このバーストは正式にはFRB 121102、非公式には発見者の名にちなんで「スピトラー・バースト」と呼ばれている。

クリスマスの検出から数週間後、アレシボ望遠鏡はこの単一の発生源からさらに15回のFRBを観測しました。これらのFRBは当時観測された中で最も高い頻度のFRBであり、シーモア氏と彼のチームがちょうど設置したばかりの機器によって測定が可能になりました。新たな情報に基づき、科学者たちは今週ネイチャー誌に発表された論文の中で、バーストを発生させている天体が何であれ、それは非常に奇妙で極端な宇宙近傍、つまり太陽1万個以上の質量を持つブラックホールを取り巻く環境に似ていると結論付けています。

この新たな研究は、少なくとも一部のFRBがマグネターによって発生しているという説を裏付けるものだと、コーネル大学の天体物理学者シャミ・チャタジー氏は述べた。マグネターとは、超新星爆発を起こした大質量星の残骸であり、非常に高密度で強力な磁力を持つ回転中性子星である。今回のFRBの場合、それは「巨大ブラックホールの環境に存在する」中性子星である可能性があるとチャタジー氏は述べた。あるいは、これまで見たことのないような、非常に強力で磁気密度の高い誕生星雲の中に埋もれた、別の種類のマグネターである可能性もあり、これは銀河系で知られているどのマグネターとも異なる、「極めて異常な状況」だとチャタジー氏は述べた。

見つけるのが難しすぎる

当初、この繰り返しバーストがこれほど過酷な環境で発生しているとは考えられなかった。シーモアがアレシボで最初のバーストを検出してから10ヶ月後の10月、アムステルダム大学の天文学者ジェイソン・ヘッセルズと彼の学生ダニエレ・ミチリは、ミチリのノートパソコンの画面に映るデータを見つめていた。彼らは、発生源近くの磁場が電波を歪ませている可能性、つまりファラデー回転と呼ばれる現象を調べていた。しかし、何も見当たらないように見えた。

しかし、ヘッセルズはある考えを思いついた。「もしかしたら、この効果があまりにも極端だったために見逃していたのかもしれない、と考えたのです」。彼らはほんの少しひねりを加えたいだけだった。何か例外的なものを探してみたらどうだろうか？彼はミチリに、探索パラメータを引き上げるように頼んだ。ミチリの言葉を借りれば「とんでもない数字を試す」ためだ。ミチリは探索範囲を5倍に広げた。チャタジー氏によれば、これはかなり「ナイーブな行動」だったという。なぜなら、これほど高い値は全く前例がないからだ。

ミチリ氏のノートパソコンに新たなデータプロットが表示されたとき、ヘッセルズ氏はすぐに電波が非常に強力な磁場を通過したことに気づきました。「今回の場合、ファラデー回転効果がいかに極端であるかを見て衝撃を受けました」と彼は言います。これはパルサーやマグネターではこれまで見られなかった現象です。「また、このような分析を試みる前に、重要なデータを何ヶ月も放置していたことを恥ずかしく思います」と彼は付け加えました。

この発見はコミュニティ全体に波紋を広げた。「結果を知らせるメールには衝撃を受けました」と、マギル大学の天体物理学者ヴィッキー・カスピ氏は語った。「何度も読み返さなければなりませんでした」

最終的な確認は、地球外生命体を探すチームから得られた。ブレイクスルー・リッスン・イニシアチブは通常、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡などの電波望遠鏡を用いて空を観測し、地球外生命体の兆候を探している。しかし、「地球外生命体を探すために望遠鏡をどの方向に向けるべきか明確でなかったため、彼らは繰り返し発生するFRBを観測することに決めた。これは明らかに効果的だった」と、スピトラーバーストの名の由来となった天文学者ローラ・スピトラー氏は述べた。

グリーンバンク望遠鏡はアレシボ天文台の発見を裏付けただけでなく、さらに高い周波数でリピーターから発せられる複数のバーストを観測しました。これらのバーストもまた、アレシボ天文台と同様に、狂ったように大きくねじれたファラデー回転を示しました。

彼らを動かすもの

カスピ氏は、この極端なファラデー回転は「繰り返し発生するFRBが非常に特殊で極端な環境にある」ことを示すシグナルだと述べた。これほど強い磁化状態を作り出し、維持するには膨大なエネルギーが必要だ。研究者らが提唱する仮説の一つは、このエネルギーが中性子星自体を取り巻く星雲から来ているというものだ。もう一つの仮説は、巨大なブラックホールから来ているというものだ。

星雲仮説では、生まれたばかりの中性子星からのフレアが、高温の電子と強力な磁場からなる星雲を作り出します。これらの磁場は、中性子星から放射される電波を歪めます。ブラックホールモデルでは、中性子星の電波は、近くの巨大なブラックホールが生み出す巨大な磁場によって歪められます。

ここで何が起こっているのか、研究者たちはまだ意見の一致を見ていない。カスピ氏はブラックホールモデルを支持しているが、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、このモデルはやや不自然だと感じている。「私たちの銀河系では、数十個あるマグネターのうち、中心のブラックホールに非常に近い位置にあるのはたった1個だけです。ブラックホールに非常に近いマグネターが、なぜそれほど特別なのか。高速電波バーストを優先的に発生させるのでしょうか？ 初めて、よく特定されたFRBを発見できたのは、本当に幸運だったのでしょうか？」

議論は決着がつく前に、さらに泥沼化する可能性もある。チャタジー氏は、理論家たちがすぐにこの論文に飛びつき、数多くの新たなモデルや可能性を生み出し始めるのは間違いないと述べた。

バーストマシン

スピットラー・リピーターは、特定の銀河に特定された唯一のFRB発生源です。他のバーストの発生源は誰も正確には分かっていません。これらの高エネルギー電波フラッシュの一部、あるいはすべてが、高度に磁化された環境から来ていると確信を持って断言するには、研究者たちはより多くのデータを必要としています。そして、データは次々と集まってきています。オーストラリア平方キロメートル・アレイ・パスファインダー（ASKAP）は、まだ正式には完成していませんが、既に世界のどの望遠鏡よりも多くのFRBを捕捉しています。昨年だけで約10個のFRBを捕捉したASKAPは、「驚異的なFRB発見装置」であることが証明されたと、スウィンバーン工科大学の天体物理学者マシュー・ベイルズ氏は述べています。ただし、これらのFRBは繰り返し発生するものではありません。

カナダでは間もなく、CHIMEと呼ばれる非常に珍しい設計の望遠鏡が稼働を開始し、より多くのFRB（おそらくASKAPの10倍）を発見できるはずです。南アフリカとオーストラリアにパラボラアンテナを備えたスクエア・キロメートル・アレイ（SKA）のような次世代望遠鏡も、間違いなく貢献するでしょう。FRBの観測頻度が増加するにつれて、繰り返し発生するものも出てくる可能性があります。科学者がこうしたデータを精査できるようになれば、ファラデー回転効果は、すべてのFRBが同様のメカニズムによって駆動されているのかどうかを理解するのに役立つかもしれません。

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。