銀河における磁気の神秘的な役割を解明

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

天の川銀河の渦巻く中で、巨大なガス塊が合体して雲となり、そこで星が生まれます。このプロセスには、隠された力、すなわち磁気が作用しています。

「『磁場の強さで人の無知さが測れる』という素晴らしい格言があります」と、スタンフォード大学の天体物理学者スーザン・クラーク氏は言います。「言い換えれば、天体物理学において歴史的に見て、私たちが完全に理解できていない問題に直面したとき、磁場のせいにするだけです。手を振って『ああ！磁場だ！』と言えばいいのです。」

この根本的な力が銀河系をどのように形作っているのか、その正確な解明は長らく科学者にとって難題でした。その主な理由は、銀河の磁場を測定することが非常に困難だからです。磁場を直接検出することはできないため、天文学者たちは磁場によって整列した塵と、その塵を通過する光を研究することで、その手がかりを解き明かそうとしています。

まだ多くの未解明な点が残されていますが、新たなツールや手法によって、恒星や銀河の進化における磁気の影響を解明することに近づきつつあり、クラーク氏はこの取り組みを先導する科学者の一人です。スタンフォード大学の宇宙磁気・星間物理学グループのリーダーとして、クラーク氏は斬新な観測技術、シミュレーション、そして理論を組み合わせ、銀河磁気の謎を解明しようと尽力しています。今年、クラーク氏は「研究分野に革命を起こす可能性を秘めた、優れた若手教員」に贈られるスローン・リサーチ・フェローシップを受賞しました。

「私たちは、これを自分たちの無知の尺度にするのではなく、磁場が物事にどう影響するかという詳細な物理学を本当に理解しようとしているのです」とクラーク氏は語った。

クアンタは最近、カリフォルニア州サンタバーバラで開催された会議でクラーク氏にインタビューを行い、銀河の見えない力の探究における彼女の進歩について詳しく聞きました。インタビューは分かりやすさを考慮して要約・編集されています。

銀河の磁場について何を解明しようとしているのですか?

わからないことがたくさんあります。星間物質（ISM）と呼ばれる、星と星の間に広がる拡散ガスを形成する様々な物理過程において、磁場がどのような役割を果たしているのかを深く理解したいと考えています。磁場は、ガスが分子雲と呼ばれる非常に高密度で冷たい物質の塊（星の誕生の場）へと進化する過程において、まだ解明されていない何らかの役割を果たしていることは分かっています。そして、その分子雲が分裂して星を形成する過程にも磁場が関わっています。その詳細は未だに全く分かっていません。しかし、ISMの低密度領域には、磁場と非常によく一致する長い巻きひげやフィラメント状のガスが見られます。私たちは、これがISMにおけるガスの相転移や、ISMの乱流にどのような影響を与えるのかを解明したいと考えています。

では、星間物質内のガスは段階的に変化するのでしょうか?

銀河系のガスは、驚くほど多様な物理状態を呈しています。非常に密度が高く冷たい分子雲があり、その反対の極端には非常に高温のプラズマがあります。そして、その中間には様々な状態があり、星形成や銀河の進化全般には、これらの異なる物理状態の間を流れるガスが関わっていることが分かっています。私たちは、ガスがどのように星へと変化し、星間物質へと噴き出し、将来の星形成の種となるのかという、このライフサイクル全体を解明したいと考えています。

近年の発見の一つは、星間物質の密度が高い構造へと移行するにつれて、フィラメント状の分子雲は実際には局所的な磁場に対して直交する方向に向く傾向があるということです。これは、磁場の構造が、最終的に分裂して星を形成する分子物質の長いフィラメント状の塊をどこでどのように形成するかに重要な役割を果たす可能性があるという考えにとって、非常に興味深いものです。この点については未解決の疑問が数多く残っており、私たちが最終的に目指すのは、ガスと磁場がどのように相互作用して星形成のプロセスを制御するのかという進化の全体像を描き出すことです。

磁場そのものは目に見えないので、その構造をどのようにマッピングするのでしょうか?

ISMには大量の塵、つまりミクロンサイズかそれ以下の物質の塊が含まれています。これらの小さな塵の粒子は不定形な形状をしており、完全な球体ではありません。そして、それらが位置する局所的な磁場に対して、特定の方向に整列しています。その結果、背景の星から発せられる可視光や近赤外線を観察すると、光はこれらの磁気的に整列した塵の粒子を透過し、それらの粒子は長軸に平行な偏光光を吸収します。つまり、残りの星の光の偏光を測定することができ、望遠鏡と星の間にある塵に磁場の痕跡が見えるのです。これは素晴らしいと思いませんか？

そして、これらの塵粒子も光を放射しており、その放射は局所的な磁場の向きによって決まる偏光角を持っています。これらは私たちが使用するツールのほんの2つにすぎません。

銀河の磁場がどのように生成されるかについて私たちは何を知っていますか?

これはまたしても大きな未解決の疑問です。私たちは宇宙における磁気の究極的な起源を解明したいと考えています。しかし、真に重要な難問は、「どのようにしてこのような大規模で一貫性のある、組織化された磁場が形成されたのか？」ということです。おそらく銀河形成の過程で、ガスの運動がどのようにして磁場を増幅・分散させ、今日観測されているような構造を形成できたのでしょうか？この疑問に答える上で非常に役立ったことの一つは、他の銀河における磁場構造の観測です。

銀河の種類によって磁場の構造が異なることが分かりますか?

はい、私たちはまだ全体像を正確に理解しようと努めています。最近発表した非常に興味深い観測結果の一つは、触角銀河からの遠赤外線の偏光に関するものです。これらは合体中の2つの銀河で、それらの相互作用領域において、塵の偏光から推定される非常にコヒーレントな磁場構造が観測されました。これは様々な理由から非常に興味深いことです。私たちはまさに、これらのことを理解し始めたばかりです。

銀河の磁場を研究することで、それがどのように発生したかについて何かわかるでしょうか?

銀河形成の過程で増幅された「種」となる磁場の起源を知りたいのです。その磁場は原始的なもの、つまり宇宙誕生時に発生した可能性はあります。しかし、銀河における現代の磁場の測定だけでは、最初の種となる磁場がどこから来たのかは分からないように思われます。何らかの弱い種となる磁場があったことは分かるものの、それだけです。

なぜ銀河の磁場に興味を持たれたのですか？非常に特殊な問題のように思えます。

私は、大きく、刺激的で、未解決の問題を抱えているような問題が大好きです。そして、私の分野のもう一つの魅力は、答えがわからないだけでなく、時にはその問題を問いかける最善の方法もわからないような問題に取り組めることです。私たちはしばしば、「どうアプローチすればいいのだろう？」「天体物理学的トレーサーの中に、私たちが問いたい疑問を抱かせる情報はどこにあるのだろう？」と自問します。ですから、少し創造的になる必要があるのです。

初めてそれについて学びたいと思ったのはいつですか?

それは、生涯にわたって磁気を研究したいという根深い欲求から生まれたものではないと思いますが、大学院時代に、十分に理解されておらず、その複雑さゆえに避けられてきた天体物理学の分野として、磁気に興味を惹かれました。

天体物理学全般についてですが、大学4年生になる前の夏、プエルトリコのアレシボで全米科学財団（NSF）の学部生向け研究体験に参加しました。素晴らしい経験でした。その時、ISMで働きたいと思い、ISMの真価を実感しました。初めてのフルタイム研究体験で、しかも素晴らしい施設でした。望遠鏡が素晴らしく、小さな小屋で生活するというのも魅力でした。映画『 コンタクト』でジョディ・フォスターが泊まった小屋は、まさに私の二段ベッドがあった場所です。

以前から科学者になりたいと気づいていた瞬間はありましたか?

正直に言うと、最初から科学者になりたかったわけではありません。大学に入学した時点では、生物学と英文学をダブルメジャーにしようかと考えていました。特に生物学が好きで、文章を書くのもずっと好きだったので、もしかしたら作家になるかもしれないと思っていました。

私は昔からあらゆることに興味を持っていました。天文学者はよく「子供の頃から宇宙が大好きで、大人になったらまさに宇宙に関わりたいと思っていました」と言います。私も子供の頃から宇宙が大好きでしたが、岩や恐竜、トカゲも大好きでした。特にサンショウウオが好きでした。きっかけは、バージニア州の裏庭で姉妹と岩の下に潜んでサンショウウオを探していたことです。自然への好奇心と学ぶことへの情熱がきっかけで、科学者としてできることはまさにこれです。

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。