高エネルギー宇宙線源が初めて地図上に描かれる

1930年代、フランスの物理学者ピエール・オージェはアルプスの尾根沿いにガイガーカウンターを設置し、それらが最大300メートル離れていても、同時にカチッという音を発することがあることを観察しました。彼は、この同時カチッという音は宇宙線、つまり宇宙からやってきた荷電粒子が空中の空気分子に衝突し、粒子シャワーを引き起こして地上に降り注ぐ現象によるものだと知っていました。しかしオージェは、自分が目撃したような巨大なシャワーを引き起こすには、宇宙線が途方もない量のエネルギーを帯びている必要があることに気づきました。1939年の著書の中で、そのエネルギーは非常に大きく、「粒子にこれほどのエネルギーを与える単一のプロセスは想像もできない」と述べています。

物理学者たちは、ガイガーカウンターや他の種類の検出器のより大規模なアレイを構築した結果、宇宙線のエネルギーはオージェの想定より少なくとも10万倍高いことを知りました。

宇宙線は原子核、つまり陽子、あるいは陽子と中性子の集合体です。しかし、「超高エネルギー」宇宙線と呼ばれる稀な宇宙線は、プロがサーブしたテニスボールと同程度のエネルギーを持っています。これは、ヨーロッパにある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の円形トンネル内を光速の99.9999991%で猛スピードで飛び回る陽子の何百万倍ものエネルギーです。実際、「オーマイゴッド粒子」の愛称で知られる、これまでに観測された中で最もエネルギーの高い宇宙線は、1991年に光速の99.99999999999999999951%という速度で空に衝突しました。これは、肩の高さからつま先の上に落としたボウリングのボールとほぼ同じエネルギーです。 「陽子を私たちが観測できるエネルギーまで加速するには、水星の軌道と同じ大きさの衝突型加速器を建造する必要がある」と、ドイツのカールスルーエ工科大学の天体物理学者で、アルゼンチンにある世界最大の宇宙線観測所ピエール・オージェ観測所の共同責任者、ラルフ・エンゲル氏は語った。

問題は、宇宙で何が加速しているのかということです。

超新星爆発は、82年前にオージェが初めて観測した驚異的なエネルギーを持つ宇宙線を生成する可能性があると考えられています。超新星爆発が、それ以降に観測されてきた、はるかに驚異的な粒子を生成することはあり得ません。これらの超高エネルギー宇宙線の起源は依然として不明ですが、近年の一連の進歩により、探索範囲は大幅に絞り込まれました。

2017年、オージェ天文台は大きな発見を発表しました。ロードアイランド州ほどの広さを持つアルゼンチンの草原に1,600台の粒子検出器と27台の望遠鏡を点在させるこの天文台は、過去13年間にわたり、数十万個の超高エネルギー宇宙線によるエアシャワーを記録してきました。研究チームは、宇宙線の到来方向に関して、空の片側からの到来がもう片側よりも6%多いことを報告しました。これは、宇宙線の到来方向に関して明確に検出された初めてのパターンです。

最近、ニューヨーク大学の3人の理論家が、この不均衡について、専門家が非常に説得力のあるエレガントな説明を提示しました。陳丁、ノエミー・グロバス、グレニス・ファラーによる新しい論文は、宇宙的に言えば、超強力な宇宙線加速器は稀なものではなく、どこにでもあることを示唆しています。

ユタ州のオージェ天文台とテレスコープアレイは、空に小さく微細な宇宙線の「ホットスポット」も検出しました。おそらくこれは近くの発生源の位置です。いくつかの候補天体は、まさにその位置にあります。

超高エネルギー宇宙線によって生成される超高エネルギーニュートリノという形で、さらなる手がかりがもたらされました。近年の発見を総合的に見ると、宇宙の超強力な加速器の探索は3つの主要な候補に絞られています。現在、理論家たちはこれらの天体についてモデル化を進め、それらが実際に十分な速度の粒子を地球に向かって発射できるかどうか、そしてもしできるとしたらどのように発射できるのかを解明しようとしています。

これらの推測は全く新しいものであり、いかなるデータにも制約されない。「高エネルギー領域に踏み込めば、物事は本当に未踏の領域に達します」とエンゲル氏は述べた。「まさに、すべてが白紙の状態になるのです。」

微妙な不均衡

超高エネルギー宇宙線の発生源を知るには、まずその起源を突き止めなければなりません。問題は、粒子が電荷を帯びているため、直線的に進路をたどらず、磁場を通過する際に軌道が曲がってしまうことです。

さらに、超高エネルギー粒子は稀で、地球の空の1平方キロメートルあたりに年間約1回しか衝突しません。その到達方向のパターンを特定するには、膨大なデータセットから微妙な統計的不均衡を抽出しなければなりません。

パターンが現れるまでにどれだけのデータが必要になるのか、誰も知りませんでした。物理学者たちは何十年もかけて、ますます巨大な検出器アレイを構築しましたが、パターンの兆候すら見つかっていませんでした。そして1990年代初頭、スコットランドの天体物理学者アラン・ワトソンとアメリカの物理学者ジム・クローニンは、さらに大規模な観測に挑戦することを決意しました。彼らは、後に3,000平方キロメートルのオージェ天文台となる観測装置の開発に着手したのです。

ついに、それで十分だった。オージェチームが2017年にサイエンス誌で、空の両半分の間に6%の不均衡を検出したと報告したとき――つまり、空の特定の方向から過剰な粒子が、反対方向を中心とする不足へとスムーズに移行したのだ――「それは素晴らしく興奮しました」とワトソンは語った。「私はこの分野で非常に長い間研究してきました」――1960年代から――「そして、このような異方性が現れたのは初めてです」

しかし、データは不可解なものでもあった。宇宙線過剰の方向は天の川銀河の中心から程遠く、超高エネルギー宇宙線は銀河系外から来ているという長年の仮説を裏付けていた。しかし、それは何かの近くではなかった。近隣の銀河にある超大質量ブラックホールのような、強力な天体の位置とは一致していなかった。それは、近傍に密集した銀河団であるおとめ座銀河団ではなかった。それは、おおいぬ座の近くにある、ただの鈍く暗い点だった。

当時エルサレムのヘブライ大学でポスドク研究員だったノエミ・グロブスは、このパターンを説明する方法をすぐに思いつきました。彼女はまず、宇宙のあらゆる物質が、少量の超高エネルギー宇宙線を等確率で生成するという単純化を行いました。そして、これらの宇宙線が近隣の銀河、銀河群、銀河団（総称して宇宙の大規模構造と呼ばれる）から放射され、銀河間空間の弱い磁場を通ってここまで到達する際に、わずかに曲がる様子を描き出しました。当然ながら、彼女の想像上の地図は、宇宙線が最も集中しているおとめ座から来るという、大規模構造そのもののぼやけた絵に過ぎませんでした。

彼女の宇宙線過剰はオージェのデータを説明するのに適切な位置ではなかったが、彼女はその理由がわかっていると思っていた。それは、天の川銀河の磁場を適切に考慮していなかったからだ。2019年、グローバスはニューヨーク大学に移り、天体物理学者グレニス・ファラーのもとで研究を行った。ファラーが当時大学院生だったロニー・ヤンソンとともに開発した2012年の天の川銀河の磁場モデルは、今も最先端である。銀河の磁場がなぜそのような形になっているのかはまだ誰も理解していないが、ファラーとヤンソンは4万回の偏光測定からその形状を推測した。彼らは、磁力線が銀河の渦巻き腕に沿って時計回りと反時計回りの両方に弧を描き、銀河円盤から垂直に放射され、上昇するにつれてねじれていることを突き止めた。

ファラー氏の大学院生チェン・ディン氏は、大規模構造から来る超高エネルギー宇宙線のグローバス地図を精緻化するコードを書き、それをファラー氏とヤンソン氏がモデル化した銀河磁場の歪曲レンズに通した。「そしてなんと、観測結果と驚くほど一致する結果が得られたのです」とファラー氏は述べた。

おとめ座起源の宇宙線は、銀河のねじれた磁力線の中で曲がり、オージェ望遠鏡がその過剰の中心を観測するおおいぬ座の方向から地球に衝突する。研究者たちは、異なるエネルギーの宇宙線に対して、結果として生じるパターンがどのように変化するかを解析した。その結果、オージェ望遠鏡のデータの異なるサブセットと一貫してよく一致することがわかった。

研究者らが提唱する超高エネルギー宇宙線の起源に関する「連続モデル」は単純化されたものであり、すべての物質が超高エネルギー宇宙線を放出するわけではない。しかし、この驚くべき成功は、宇宙線の実際の発生源が豊富かつすべての物質中に均等に広がり、大規模構造を辿っていることを示している。アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ誌に掲載されるこの研究は、広く称賛されている。「これは本当に素晴らしい一歩です」とワトソン氏は述べた。

すぐに、いくつかの銘柄が値上がりした。特に、宇宙では比較的ありふれた存在でありながら、驚くべき粒子を生み出すほどの特別な可能性を秘めた候補天体3種類だ。

イカロススターズ

2008年、ファラー氏と共著者は、潮汐破壊現象（TDE）と呼ばれる大災害が超高エネルギー宇宙線の発生源である可能性があると提唱した。

TDEは、恒星がイカロスのように超大質量ブラックホールに近づきすぎることで発生します。恒星の前面は背面よりもはるかに大きな重力を感じるため、星は粉々に引き裂かれ、奈落の底へと渦を巻いて落ちていきます。この渦は約1年間続きます。その間、ブラックホールから2つの物質のジェット（破壊された恒星の亜原子粒子）が反対方向に噴出します。これらのビームに含まれる衝撃波と磁場が相まって、原子核を超高エネルギーまで加速し、宇宙空間へと放出する可能性があります。

潮汐破壊現象は、あらゆる銀河で約10万年に一度発生しており、これは宇宙論的に言えば、あらゆる場所で常に発生している現象に相当します。銀河は物質の分布をトレースするため、潮汐破壊現象はディン、グロバス、ファラーの連続モデルの成功を説明できる可能性があります。

さらに、TDEの比較的短い閃光は、他の謎も解き明かします。TDEの宇宙線が地球に到達する頃には、TDEは数千年もの間暗くなっているはずです。同じTDEから発せられる他の宇宙線は、それぞれ異なる経路をたどる可能性があり、中には数世紀も到達しないものもあるかもしれません。TDEの過渡的な性質は、宇宙線の到達方向にほとんどパターンが見られず、既知の天体の位置との強い相関関係が見られない理由を説明できるかもしれません。「今では、それらは主に過渡的な現象だと考えるようになりました」とファラー氏は放射線の起源について述べています。

TDE 仮説は最近、2 月にNature Astronomyで報告された観測によってさらに勢いを増しました。

論文著者の一人であるロバート・スタイン氏は、2019年10月、カリフォルニア州で「ツウィッキー・トランジェント・ファクトリー」と呼ばれる望遠鏡を操作していた際に、南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所から警報が届いた。アイスキューブは、特にエネルギーの高いニュートリノを発見したのだ。高エネルギーニュートリノは、さらに高エネルギーの宇宙線が、発生源となる環境にある光や物質に散乱することで生成される。幸いなことに、ニュートリノは中性であるため、直線的に地球に届くため、元の宇宙線の発生源に直接戻ってくる。

スタイン氏は、アイスキューブのニュートリノが到来した方向に望遠鏡を回転させた。「ニュートリノが到来した位置から、潮汐破壊現象が発生したことがすぐに分かりました」と彼は語った。

この対応関係により、超高エネルギー宇宙線の発生源としてTDEが少なくとも一つである可能性が高まっています。しかし、ニュートリノのエネルギーはTDEが最高エネルギーの宇宙線を発生することを証明するには低すぎたと考えられます。一部の研究者は、これらの過渡現象が観測エネルギースペクトルの極限まで原子核を加速できるかどうかについて強い疑問を抱いており、理論家たちはこれらの事象がそもそもどのようにして粒子を加速させるのかを依然として研究しています。

一方、他の事実により、一部の研究者の注意は別のところに向けられている。

スターバースト・スーパーウィンド

オージェやテレスコープアレイといった宇宙線観測所も、いくつかのホットスポットを発見している。ホットスポットとは、最高エネルギーの宇宙線の到来方向にある、小さく微妙な集中点のことである。2018年、オージェは、このホットスポットと、ここから数億光年以内にある天体の位置を比較した結果を発表した。（より遠くから来る宇宙線は、途中で衝突しすぎてエネルギーを失いすぎるためである。）

相互相関のコンテストでは、どの種類の天体も例外的に優れた結果を示しませんでした。宇宙線の偏向を考えると当然のことです。しかし、最も強い相関は多くの専門家を驚かせました。宇宙線の約10%が、いわゆる「スターバースト銀河」の方向から13度以内の方向から来ていたのです。「当初、それらは私の研究対象ではありませんでした」と、オージェチームのメンバーであるカールスルーエ工科大学のマイケル・ウンガー氏は述べています。

1999年に超高エネルギー宇宙線の起源としてスターバースト銀河を提唱したニューヨーク市立大学リーマン校の天体物理学者、ルイス・アンコルドキ氏ほど興奮した人はいないだろう。「今のデータが示しているモデルを提唱したのは私なので、こうしたことには多少偏りがあるかもしれません」と彼は語った。

スターバースト銀河は常に大量の巨大な星を生み出しています。巨大な星は急速に成長し、超新星爆発で若くして死にます。アンコルドキ氏は、すべての超新星の衝撃波が集合的に形成する「スーパーウィンド」が、宇宙線を私たちが観測できる驚異的な速度まで加速していると主張しています。

このメカニズムが機能するかどうか、誰もが確信しているわけではない。「問題は、それらの衝撃波の速度がどれくらいなのかということです」と、ハイデルベルク大学の天体物理学者フランク・リーガー氏は述べた。「それらの衝撃波が最高エネルギーに達すると期待していいのでしょうか？今のところ、疑問に思っています。」

他の研究者たちは、スターバースト銀河内の天体が宇宙線加速器として作用している可能性があり、今回の相互相関研究は単にこうした他の天体の豊富さを捉えているだけだと主張している。「突発現象を自然発生源と考える人間としては、スターバースト銀河には突発現象が非常に多く存在するので、問題ないと思っています」とファラー氏は述べた。

活動銀河

相互相関研究では、別の種類の天体がスターバースト銀河とほぼ同等の性能を示したが、完全に同等ではなかった。それは活動銀河核（AGN）と呼ばれる天体である。

AGNは「活動銀河」の白熱した中心核であり、中心の超大質量ブラックホールをプラズマが飲み込んでいます。ブラックホールはプラズマを吸い込みながら、巨大で長寿命のジェットを噴出します。

「電波強度の高い」AGNと呼ばれる特に明るいサブセットの高出力メンバーは、宇宙で最も明るい持続的な天体であるため、長い間、超高エネルギー宇宙線の発生源の有力な候補となってきました。

しかし、これらの強力な電波強度を持つAGNは、宇宙では非常に稀であるため、ディン、グロバス、ファラーのテストに合格できません。つまり、大規模構造のトレーサーとなることは到底不可能なのです。実際、私たちの宇宙の近隣には、ほとんど存在しません。「それらは素晴らしい源ですが、私たちのすぐ近くにはありません」とリーガー氏は言います。

電波強度の低いAGNははるかに一般的であり、連続モデルに似ている可能性があります。例えば、最も近い電波強度の高いAGNであるケンタウルスAは、オージェ天文台の最も顕著なホットスポットに位置しています（スターバースト銀河も同様です）。

リーガー氏をはじめとする専門家たちは、低出力AGNを用いて陽子を「オーマイゴッド粒子」レベルまで加速させることに長年真剣に取り組んできました。しかし、最近の発見により、彼らは「再びゲームに復帰した」とリーガー氏は語ります。

天体物理学者は、宇宙線の約90%が陽子（つまり水素原子核）であり、残りの9%がヘリウム原子核であることを長年知っていました。宇宙線は酸素や鉄といったより重い原子核である場合もありますが、専門家は長年、これらの原子核は超高エネルギー宇宙線を加速するために必要な激しい過程によって破壊されると想定してきました。

そして2010年代初頭、オージェ観測所の科学者たちは驚くべき発見をしました。空気シャワーの形状から、超高エネルギー放射線は主に炭素、窒素、ケイ素といった中質量原子核であることが推測されたのです。これらの原子核は、低速で移動しながらも陽子と同等のエネルギーに達します。そして、これは宇宙加速器の候補となるものがどのように機能するかを想像しやすくするものです。

例えば、リーガー氏は、低出力のAGNが重い宇宙線を超高エネルギーまで加速できるメカニズムを特定した。粒子はAGNのジェットの中で左右に漂い、流れの最高速部分に再び突入するたびに蹴られる。「このメカニズムなら、低出力の電波源でも同じことが可能になる」とリーガー氏は述べた。「もっと身近な存在になるはずだ」

別の論文では、潮汐破壊現象によって中質量核が自然に生成されるかどうかが検討された。「答えは、破壊される恒星が白色矮星であれば、起こり得るということです」と、論文の共著者であるアリゾナ州立大学の天体物理学者セシリア・ルナルディーニ氏は述べた。「白色矮星は、炭素や窒素といった、このような組成をしています。」もちろん、潮汐破壊現象はどんな「不運な星」にも起こり得るとルナルディーニ氏は述べた。「しかし、白色矮星はたくさんあるので、これはあまり不自然な現象だとは思いません。」

研究者たちは、最高エネルギーの宇宙線が重い側にあることの意味を探求し続けています。しかし、それによって加速方法の問題が軽減されるという点では一致しています。「高エネルギー側への重い構成は、物事をはるかに緩和します」とリーガー氏は述べています。

一次資料

候補となる加速器のリストが固まるにつれ、正しい答えの探求は新たな観測によって引き続き進められるだろう。誰もが、アップグレードされた観測装置「AugerPrime」に期待を寄せている。今年後半に開始されるこの装置は、宇宙線全体の構成を推定するのではなく、個々の宇宙線事象の構成を特定する。これにより、研究者は地球への到達経路で最も偏向の少ない陽子を分離し、その到来方向を遡って個々の発生源を特定することができる。（これらの発生源は、おそらくより重い原子核も生成するだろう。）

多くの専門家は、超高エネルギー宇宙線スペクトルには複数の発生源が混在している可能性があると疑っている。しかし、一般的には1種類の発生源が支配的であり、スペクトルの極端に達するのは1種類だけだと予想されている。「私は1種類だけだと確信しています」とアンガー氏は述べた。

編集者注：ノエミー・グローバスは現在、チェコ共和国のELIビームラインとニューヨークのフラットアイアン研究所に所属しています。フラットアイアン研究所はシモンズ財団の資金援助を受けており、同財団は編集上独立したこの雑誌も資金援助しています。シモンズ財団との提携は、 当誌の報道内容には一切影響しません。

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。

WIREDのその他の素晴らしい記事

• 📩 テクノロジー、科学などの最新情報: ニュースレターを購読しましょう!
• マクドナルドのアイスクリームマシンのハッキングをめぐる冷戦
• タコの夢が睡眠の進化について教えてくれること
• 怠け者のゲーマーのためのケーブル管理ガイド
• パスワードなしでデバイスにログインする方法
• 助けて！同僚と情報をシェアしすぎていませんか？
• 👁️ 新しいデータベースで、これまでにないAIを探索しましょう
• 🎮 WIRED Games: 最新のヒントやレビューなどを入手
• 🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください