天文学者たちは謎の宇宙爆発を説明できると考えている

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今年のクリスマスから元旦にかけて、ブライアン・メッツガーは、自分だけの家があることに気づきました。メールも来ず、教える授業もなく、そしてもしかしたら、天文学の最も難解な謎の 1 つに答えの光明があるかもしれない、と。

彼は先頭の人物を追いかけ続けた。ちょっとしたミスで全てが崩れてしまうかもしれない、あるいは誰かが先に同じピースを組み立ててしまうかもしれないと心配していたのだ。「他の人もきっと同じものを見ているだろうから、時間との競争みたいなものですね」とコロンビア大学の天体物理学者メッツガーは言った。「まるで全てを飲み込んでしまうような状況になるんです」

クアンタマガジン

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。

メッツガー氏はここ数年、世界中の多くの研究者と共に、高速電波バースト（FRB）の解明に向けてブレインストーミングを重ねてきました。FRBとは、数ミリ秒単位の強力で原因不明の電波信号で、空一面に出現し、銀河系内の電波パルサーよりもおそらく百万倍も遠くにあるにもかかわらず、一時的にその輝きを凌駕します。2013年以前は、多くの天体物理学者がFRBの存在すら疑っていました。しかし、その後、研究者たちはFRBの原因について数十もの仮説を立ててきました。あるカタログには48もの異なる説が挙げられており、最近までその数はFRB自体の数を上回っていました。

FRB理論には二つの要素が必要で、宇宙ゲーム「クルー」における容疑者と武器に似ています。容疑者は、莫大なエネルギーを放出できる天体物理学上の怪物です。武器は、そのエネルギーを明るく、頭を掻きむしるほど異常な電波信号に変換するものです。

ブライアン・メッツガーと妻のステイシー・トーマス、2019年ブレイクスルー賞授賞式にて

メッツガー氏と彼の同僚たちは、今や犯行現場を再現できたと考えている。彼らは今月初め、科学論文プレプリントサイトarxiv.orgに論文を発表し、高密度の粒子雲と磁場が充満した宇宙空間での爆発によってFRBが発生する仕組みを概説した。

このモデルは、爆発の源としてマグネターを優先するが、必ずしもそうである必要はない。マグネターは若い中性子星で、太陽で発生するコロナ質量放出の超大型版として、荷電粒子を噴出させることがある。新たな爆発は周囲のクラッターに激突する。その際に衝撃波が発生し、それがレーザーのような短い電波の閃光を宇宙の反対側まで放射する。

「ごく一般的に言えば、これは大いに納得がいく」とコーネル大学の天体物理学者ジェームズ・コーデス氏は語り、さらに詳しい内容はまだ解明する必要があるものの、「これは賭ける価値のある話だと言えるだろう」と付け加えた。

しかし、天文学者たちが本当に気に入っているのは、メッツガーの理論が将来のFRBの出現について非常に具体的な予測を生み出し、その予測が間もなく成否を分ける検証にかけられる点だ。カナダの新しい電波望遠鏡CHIMEは、今年後半に本格稼働を開始し、1日に1～10個のFRBを発見すると予想されている。昨年夏の初期試験では、13個ものFRBを検出し、その結果は1月に発表された。「今後1年ほどで、この理論を非常にうまく検証できると思います」と、マギル大学の天体物理学者でCHIMEのFRBチームメンバーであるシュリハルシュ・テンドルカール氏は述べた。

衝撃波の速度で

メッツガー氏と同僚のベン・マルガリット氏、ロレンツォ・シローニ氏が提唱した理論は、FRBに関するこれまでの研究における最大の転機に基づいています。2016年、ドイツのボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所のローラ・スピトラー氏率いるチームは、繰り返し発生することが確認された史上初のFRBに関する研究結果を発表しました。それまで、FRBは単発的な発生でした。そのため、天文学者たちはFRBが空のどこで発生しているかを追跡することができず、FRBが銀河系のはるか彼方から来ているとは考えていましたが、その発生場所については何もわかっていませんでした。しかし、今回のFRBは予測不可能な間隔で、謎めいたバーストを次々と発生させました。

電波天文学者たちはすぐに、その起源が小さく不格好な矮小銀河にあることを突き止めました。これらの電波信号からあらゆる手がかりを絞り出そうとした結果、彼らはそれが強力な磁場に捕らわれた高密度のプラズマ領域から来ていることを発見しました。また、バーストの周囲には、より微弱で一定の電波が放射されていることも発見しました。そして昨年11月、天文学者のジェイソン・ヘッセルズ（スピトラーらと共同）は、もう一つの奇妙な点に気づきました。一瞬のバーストには、実際にはいくつかのサブバーストが含まれており、それらは必ず高い周波数から低い周波数へと下降していくのです。

メッツガーのチームにとって、この最後の手がかりは奇妙なほど馴染み深いものだった。1950年代、物理学者たちは核兵器の爆風を研究し、その威力を推定した。これらのモデルでは、核爆発の衝撃波は外側に広がるにつれてより多くのガスを巻き込む。この余分な重さによって衝撃波の速度が遅くなり、その結果、衝撃波から放出される放射線の周波数はドップラー効果によって低下する。

メッツガー氏は、この爆風効果がFRBの本質を示唆するのではないかと考えていた。ところが1月初旬、CHIME望遠鏡からの観測データに突然、新たな反復現象が含まれていることが判明した。この反復現象の無線信号は、同じく周波数の下方ドリフトを示した。「最初の反復現象の時からその考えはありました」とメッツガー氏は語る。「しかし、FRBのその特徴が改めて確認されたことで、私はすっかり夢中になってしまいました」

メッツガー、マルガリット、シローニの3人は、主に最初のリピーターの詳細な説明に基づいた完全なモデルを公開した。マグネターを想像してみてほしい。マグネターとは、ほんの数年前、あるいは数十年前に超新星爆発で形成された都市ほどの大きさの中性子星で、その表面は激しく揺れ動いている。まるで悪天候の太陽のように、この若いマグネターは時折フレアを放出し、電子、陽電子、そしておそらくはより重いイオンを光速に近い速度で吹き飛ばす。

この物質が放出されると、以前のフレアで噴出した古い粒子に衝突します。新しい噴出物が古い破片と出会う場所では、衝撃波が形成され、内部では磁場が急上昇します。衝撃波が外側に押し出されると、内部の電子が磁力線に沿って回転し、その運動によって電波バーストが発生します。その後、衝撃波の速度が遅くなるにつれて、その信号は高周波から低周波へと変化します。（そしておそらく、はるか遠く、何億年も経った後、地球の天文学者たちは電波望遠鏡から非常に興味深いメールアラートを受け取るでしょう。）

これらはまだ不確かだが、FRBの今後の展開次第で、この考えが通るか不合格になるかは容易に想像できる。これはこれまでで最も定量的で、綿密に考え抜かれたシナリオだ。「彼らは最も詳細な計算を行い、最も具体的な観測予測を行うことができた」とスピトラー氏は述べた。

メッツガーのモデルは、将来のFRBに共通するいくつかの特徴を予測している。まず、将来のFRBはすべて、同じ頻度の下方シフトを辿るはずだ。ガンマ線やX線を放射する可能性があり、スピトラーをはじめとする天文学者たちはすでにその探査を開始している。FRBは、多くの新しい星を形成し、新たなマグネターを生成している銀河に存在するはずだ。そして、FRBが再び発生する場合は、天文学者が大規模なフレアを観測した後、FRBのバーストは休止するはずだ。その時点では、FRB系は物質で非常に詰まっているため、その後の閃光は捉えられない。

メッツガーのモデルは今、他の未だに有効な理論が多数存在するという、熾烈な競争に直面している。FRBは、2017年に初めて望遠鏡と重力波検出器の両方で観測された中性子星の合体によって発生する可能性がある。中性子星は、ブラックホールや白色矮星などの他の天体に衝突したり、中性子星自身がブラックホールに崩壊したり、あるいは磁力線が激しいプラズマ風によって引き裂かれたりすることでも、FRBを発生させる可能性がある。

さらに、FRBがすべて単一の種類のイベントから発生しているかどうかさえ明らかではない。メッツガーのモデルは最初のリピーターの観測結果を「完全に掌握」しているが、マギル大学の天体物理学者ビクトリア・カスピ氏は、「何かが一つの発生源にあまりにも特化されている場合、個人的にはいつも少し不安になります」と述べた。リピーターと比較すると、単発のバーストは全く異なる発生源から発生している可能性がある。あるいは、スピトラーらが昨年11月に指摘したように、天文学者が十分に長く待つだけで、すべてのFRBが繰り返される可能性がある。

データが次々と集まり、対象を絞り込む準備が整いつつあります。過去5ヶ月間、CHIMEが運用段階にあった間に、研究者たちは公表していないバーストをさらに発見しました。チームメンバーは4月に公式観測を開始することを望んでいます。西オーストラリアに36基の電波パラボラアンテナを設置するオーストラリア平方キロメートルアレイ（ASRA）も、さらなる例を探し出し、その発生源を正確に特定しようと取り組んでいます。そして数年後には、南アフリカ、ボツワナ、ルワンダにアンテナを設置し、周囲の電波信号がない環境でFRBを観測するHIRAXも完成する予定です。

数年にわたる乏しいデータと理論的な空想の末、ついに解決策が見えてきたようだ。2月中旬、FRBに興味を持つ天文学者たちがアムステルダムに集まり、Twitterには投稿しないでほしいような新発見を共有し、中性子星が何らかの形でFRBの原因となっているという考えについて議論した。「彼の理論がつい最近発表されたのは、まさにその点で素晴らしいことです」と、ケープタウン大学の理論天体物理学者アマンダ・ウェルトマンはメールで述べた。「まさに絶好のタイミングです」。研究者たちは、会議で共著者のマルガリットが発表したメッツガーのモデルについて議論したが、まだそれにコミットしようとはしなかった。「私たちは収束の瀬戸際にいます」とテンドルカールは言った。「そう言っておきます」

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