これまでに発見された最古の電波バーストは銀河間に何が存在するかを教えてくれるかもしれない

宇宙に広がる花火の中でも、高速電波バースト (FRB) は最も強力で、かつ神秘的な現象の 1 つです。電波望遠鏡は数百の既知の FRB を捉えてきましたが、電波天文学者は最近、これまでで最も興味深いバーストの 1 つを検出しました。このバーストは、これまで観測されたどの FRB よりも遠くから発生するだけでなく、最もエネルギーが強いものでもあります。

このような極度のFRBは、バーストの起源に関する私たちのすでに曖昧な理解を覆すものだ。FRBは、通常1秒未満、場合によっては数ミリ秒しか続かない、突発的な電波の急増である。そして、非常に高エネルギーで、太陽が3日間で放出するエネルギーと同じ量のエネルギーを数ミリ秒で放出することもある。それにもかかわらず、FRBがどのように形成されるのかははっきりとわかっていない。

天文学者が愛情を込めてFRB 20220610Aと呼んでいるこの新しい現象は、パースの北約360マイルの砂漠にアンテナ群を配置したオーストラリア平方キロメートルアレイ・パスファインダーの点滅として最初に現れた。天文学者がバーストの赤方偏移を測定したところ、約80億年前に発生源から出たと計算され、本日サイエンス誌に発表された論文で説明されている。

天空におけるバーストの発生源を正確に特定し、可視光と赤外線の望遠鏡で追跡調査を行った後、著者らは合体する銀河のぼんやりとした画像を作成することに成功した。

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「宇宙の彼方に行けば行くほど、銀河は遠くにあるため、当然ながら暗くなります。ホスト銀河を特定するのは非常に困難であり、それが彼らがやったことです」と、ウェストバージニア大学でFRBを研究する天文学者サラ・バーク・スポラー氏は述べた。同氏はこの研究の著者ではない。

FRB は、音が大きいから面白いというわけではない。天の川銀河の外側から来たバーストが地球に届くには、銀河間のほぼ空の空間を数百万光年、あるいは数十億光年も横断しなければならない。その過程で、極めてまばらなイオン化粒子の集まりに遭遇する。これが宇宙の大部分が完全に空っぽになるのを防いでいる物質で、天文学者はこれを銀河間物質と呼んでいる。この物質は宇宙の「通常の」物質の半分ほどを占めている可能性がある。

「非常に希薄なので検出が難しいため、それについてはあまりわかっていません」と、マサチューセッツ工科大学の天文学者で、この研究論文の著者ではないダニエル・ミチリ氏は言う。

FRB が長い旅の途中で銀河間物質を横切ると、粒子が電波を散乱させ、天文学者が分析できる痕跡を残します。このようにして、科学者は FRB を利用して銀河間物質を調査することができます。FRB 20220610A のようなより遠くで発生するバーストにより、天文学者は宇宙の広範囲にわたる物質を研究できるようになります。

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「これは非常にエキサイティングで、間違いなく高速電波バーストの素晴らしい応用例の一つです」とトロント大学で高速電波バーストを研究する天文学者ジギー・プレニス氏は言う。同氏もこの論文の執筆者グループには加わっていない。「高速電波バーストは、現在、特性を測定できるほど十分に意味のある方法で銀河間物質と相互作用することが分かっている唯一のものです。」

将来、天文学者は FRB を利用して宇宙がどのように膨張しているかを研究できるようになるかもしれません。しかし、その謎を解明するには、天文学者は FRB 20220610A よりもさらに遠い宇宙の過去から FRB を検出する必要があります。「多くの用途にとって、それはまだ十分遠くありません」と Pleunis 氏は言います。「しかし、それは確かに良い前兆です。」

そこにはバランスを取る行為が関わっている。十分に長い距離を進むと、銀河間物質の粒子が FRB をばらばらにし、最終的には背景ノイズに分散してしまう。FRB が生き残るためには、より明るく、よりエネルギーが強くなければならない。つまり、バーストがどの程度分散したかを把握することで、天文学者はその元々のエネルギーを推定できるのだ。

FRB 20220610A の数値を計算すると、これが地球がこれまでに観測した中で最もエネルギーの高いバーストであることがわかった。(最近観測された別のバーストである FRB 20201124A も同じ桁のエネルギーだが、FRB 20220610A が記録保持者だ。) これほどのエネルギーを持つバーストは、そもそも何が FRB を生み出すのかという天文学者の理解に、多少の支障をきたす。

この質問に対する明確な答えは、まだありません。問題を複雑にしているのは、FRB の中には 1 回限りの閃光もあれば、繰り返し発生するものもあることです。このことから、2 種類の FRB にはそれぞれ異なる起源がある可能性が示唆されます (つまり、FRB 20220610A は 1 回限りの閃光だったようです。しかし、もう 1 つの高エネルギー FRB である FRB 20201124A は繰り返し発生するようです)。

それでも、天文学者たちは主に中性子星に関するいくつかのシナリオをシミュレーションした。おそらくFRBは中性子星の表面近くから爆発するのだろうし、あるいは中性子星が放出する物質を通した衝撃波からFRBが噴出するのかもしれない。

しかし、この論文の著者らが新しいFRBの数値を計算したところ、どちらのシナリオでもこれほどのエネルギーを持つバーストは簡単には発生しないことが判明した。これは、理論天文学者がこれらの現象を満足のいく形で説明できるようになるまでには、さらに多くの研究が必要であることを示唆している。

「高速電波バーストに関して私がいつも驚かされるのは、新しいものを観測するたびに、それが以前のものとは一線を画すということです」とスポラール氏は言う。