私たちを取り囲む「ゴースト粒子」がどこから来るのかついに分かるかもしれない

ゴースト粒子、別名ニュートリノは文字通りどこにでも存在し、それぞれがほとんど質量を持たない数兆個のニュートリノが今まさにあなたの体を通り抜けています。しかし、これらの粒子がどのように機能するかについてはほとんどわかっていません。これは非常に残念なことです。なぜなら、ニュートリノは宇宙が存在する理由など、宇宙の最大の謎のいくつかを説明する鍵となる可能性があるからです。

私たちは、これらの疑問に答える大きな一歩を踏み出した。木曜日にサイエンス誌に掲載された2本の新しい論文の中で、数百人からなる国際研究チームが、これらの極小で捉えどころのない粒子の起源の証拠を発見したと発表した。それは、ブレーザーと呼ばれる巨大な楕円形の銀河だ。この発見は、ニュートリノのような亜原子粒子を高エネルギー宇宙線として宇宙空間に放出している原因を突き止める1世紀以上に及ぶ研究の成果である。

「私たちは2013年から宇宙ニュートリノを観測してきました」と、ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者であり、今回の新発見の先導役となったアイスキューブニュートリノ観測所の主任科学者であるフランシス・ハルゼン氏は言う。「ニュートリノがどこから来たのか、全く分かりませんでした。」

この最新の発見の鍵は、ニュートリノが他のどのような高エネルギー現象と関連しているかを解明しようとしたことでした。ここで登場するのが、複数の異なる信号を通じて天体物理学的現象を研究するマルチメッセンジャー天文学です。たとえば、ダイナマイトの爆発についてできるだけ多くのことを知りたい場合、携帯電話で録音するだけでは不十分です。さまざまな波長の光で観測したり、音声録音などを行ったりする必要があります。天文学では、マルチメッセンジャーとは、電磁放射、重力波、ニュートリノ、宇宙線に関連する信号を観測することを意味します。

「ニュートリノは発生源に向かって戻ってくるので、私たちはその到来方向をブレーザーを含む既知の発生源と関連付けようとしていました。このマルチメッセンジャーキャンペーンを開始するまで、これは成功しませんでした。」とハルゼン氏は言う。

アイスキューブは、南極の1マイルの氷の下に設置された1キロメートルサイズの望遠鏡で、2011年から稼働しており、数千のセンサーを使用して年間約10万個のニュートリノを観測している。その主な目的は、近くまたは遠くにあるニュートリノ（この最新の観測では非常に遠くにある）を見つけることである。これは素粒子を追跡するための強力な観測所だが、ニュートリノを他の信号と関連付けて起源を見つけようとする場合、他の機器の助けを借りる必要がある。

IceCube には、極めて高エネルギーのニュートリノを検出すると作動する警報システムが搭載されています。この警報システムは、世界中の他の望遠鏡に座標を中継し、フォローアップ観測を行うよう指示します。

この調査で、アイスキューブは2017年9月22日に非常に高いニュートリノ現象を発見した。NASAの軌道上にあるフェルミガンマ線宇宙望遠鏡とカナリア諸島にある主要大気ガンマ線撮像チェレンコフ望遠鏡が警戒態勢を敷き、地球から約40億光年離れたオリオン座の左上隅に位置するTXS 0506+056（ブレーザー）と呼ばれる銀河から発せられる高エネルギーガンマ線を検出した。フェルミがこれまでにその発生源から検出したガンマ線活動の中でも最も強力なものの一つで、アイスキューブが送信したニュートリノ座標と驚くほどよく一致した。

ブレーザーはニュートリノの発生源として予想されていなかったが、その恐ろしい名前にふさわしい存在であることを理解すれば納得できる。「活動銀河では、超大質量ブラックホールが2つの巨大なジェットを発生させ、高エネルギー粒子と強力な放射線と磁場を帯びて銀河から外側に噴出します」とアラバマ大学の物理学者で天文学者であり、今回の研究の共著者でもあるマルコス・サンタンデール氏は説明する。「ブレーザーは一種の活動銀河で、ジェットの1つがたまたま地球の視線方向に向いています。つまり、私たちは『銃口の下』からジェットを見ているのです」。この配置により、電波から可視光、ガンマ線まで、電磁スペクトル全体にわたって非常にエネルギーの高い放射線を観測できる。ブレーザーの場合、そのエネルギーは可視光の10兆倍以上に達する。 「ブレーザージェットに沿った強い衝撃波には、ガンマ線を生成できる高エネルギー粒子が含まれており、宇宙線を加速する可能性があることが知られています」と彼は言う。

これらのジェットは、主に陽子でできた宇宙線の加速に関与している。陽子がブレーザーやブラックホールジェットからの光子や水素と相互作用すると、ニュートリノが発生する。「つまり、ニュートリノは宇宙線を追跡するのです」とハルゼン氏は言う。「両者は密接に結びついています」。

ニュートリノが宇宙線とともに生成されると理解すれば、それはニュートリノが宇宙線自体と同じ起源を持つはずであることを意味する。「私たちが検出する宇宙線は、電荷と軌道が磁場によって歪められるため、発生源を指し示しませんが、ニュートリノはそれが生成された場所を指し示します」とハルゼン氏は言う。「ニュートリノのおかげで、私たちはこの発生源を、他の約 20 台の望遠鏡とともに正確に特定することができました。」

これが、研究チームが最初に必要とした証拠だった。TXS 0506+056 が 9 月 22 日のニュートリノ検出の源であることがわかった後、研究者らは約 10 年間のアーカイブ データを調べ、2014 年と 2015 年の短い期間だけで、そのブレーザーから発生した 12 以上の他のフレアと同時に高エネルギー ニュートリノ バーストが発生していることを発見した。これが 2 つ目の証拠だった。「これですべてが決定的になりました」とハルゼン氏は言う。

もちろん、この発見には慎重な理由がある。ブレーザーは長い間ニュートリノ放出源の候補とされてきたが、ニュートリノとブレーザーを結び付けようとするこれまでの研究は不十分だった。他のものは当てはまらず、TXS 0506+056 は知られているガンマ線ブレーザーの中で最も明るいわけでもないのに、なぜ TXS 0506+056 が当てはまったのかは完全には明らかではない。ブレーザーをニュートリノ工場と一概に呼ぶことはまだできない。

「我々は『すべてブレーザーだ』と断言できる立場にはないと思う」と、論文の共著者の一人であるメリーランド大学の物理学者エリック・ブラウファス氏は言う。「1つのサンプルに基づいて、すべてのブレーザーについてあまり強い結論を導き出すのは難しいと思う。この発生源が何か特別なのか、それとも単に草むらから頭を出して、ニュートリノが我々の目に見えるほど明るい最初のものなのかはまだ分からないと思う。」

高エネルギー作用がブレーザーがニュートリノを放出する理由を説明する鍵となるのであれば、スターバースト銀河やガンマ線バーストの観測から同様の結果が容易に得られるはずだ。そうでない場合は、現在わかっているよりもはるかに特殊で風変わりなことがブレーザーで起こっていることを意味する。

そして、たとえこのブレーザー自体に局所的に焦点を絞ったとしても、「これもまた、決して金メッキの発見ではない」とブラウファス氏は言う。科学者は通常、何かを「発見」と分類するのに5シグマの閾値を使用する。そして、ブラウファス氏によると、これら2つの最新論文の分析は3シグマであり、「証拠」を意味するが、必ずしも発見ではない。3シグマレベルは、結果が偶然によるものではないというかなり高い信頼度を許容できることを意味するが、素粒子物理学に関しては、そのような偶然は依然として警戒心を生む可能性がある。新しい発見は、慎重ながらも熱意を持って歓迎するのが最善である。

今のところ、チームも懸命な努力がようやく報われたことを喜んでいる。「天文学における最も古い未解決の問題の 1 つに突破口を開いたことは興奮しています」とハルゼン氏は言う。「これがアイスキューブが作られた目的です。最初のソースがブレーザーだったことは少し驚きましたが、事実に異論を唱えることはできません。」