天文学の次の大発見は、おそらく古いデータの山の中に隠れているだろう

今年初め、天文学者たちは興味深い発見に偶然たどり着いた。銀河系の中心近くには数千個のブラックホールが存在する可能性があるということだ。この発見を可能にしたX線画像は、最先端の新しい望遠鏡で撮影されたものではない。また、最近撮影されたものでもない。データの一部は20年近く前に収集されたものだ。研究者たちは、古くて長期間保管されたデータを掘り起こすことでブラックホールを発見したのだ。「ビッグデータ」の時代が科学のやり方を変えるにつれ、このような発見はますます一般的になるだろう。天文学者たちは日々、飛躍的に膨大な量のデータを収集しており、アーカイブに埋もれた隠れた信号をすべて発見するには何年もかかるだろう。天文学の進化 60年前、典型的な天文学者は主に一人か小さなチームで研究していた。彼らはおそらく、所属機関でかなり大きな地上の光学望遠鏡を利用できただろう。

彼らの観測は主に可視光線の波長、つまり目で見える範囲に限られていた。つまり、非常に低周波の電波から高エネルギーのガンマ線まで、目に見えない放射線を発する天体物理学的源からの信号を見逃していたのだ。ほとんどの場合、天文学をやりたいと思ったら、良い望遠鏡を使える学者か変わり者の金持ちでなければならなかった。

古いデータは写真乾板や出版されたカタログの形で保管されていました。しかし、他の天文台のアーカイブにアクセスするのは困難な場合があり、アマチュア天文学者にとっては事実上不可能でした。

現在、電磁スペクトル全体をカバーする観測所が存在します。これらの最先端の観測所は、もはや単一の機関によって運営されているわけではなく、通常は宇宙機関によって立ち上げられ、多くの国が関与する共同の取り組みであることが多いです。

デジタル時代の到来により、ほぼすべてのデータは取得後すぐに公開されるようになりました。これにより天文学は非常に民主的になり、ニュースになるほぼすべてのデータセットを誰でも再分析することができます。(何千ものブラックホールの発見につながったチャンドラのデータもぜひご覧ください!)

これらの観測所は、膨大な量のデータを生成します。たとえば、1990 年から運用されているハッブル宇宙望遠鏡は、130 万回以上の観測を行い、毎週約 20 GB の生データを送信しています。これは、1970 年代に初めて設計された望遠鏡としては驚異的な量です。チリのアタカマ大型ミリ波干渉計では、現在、毎日 2 TB のデータがアーカイブに追加される予定です。

データ ファイアホース

天文学データのアーカイブはすでに驚くほど膨大です。しかし、爆発的に増えようとしています。

観測所の各世代は、通常、技術の向上または単にミッションの規模が大きいため、以前の世代よりも少なくとも 10 倍感度が高くなっています。新しいミッションの実行期間に応じて、その波長で以前のミッションよりも数百倍多くの天体源を検出できます。

たとえば、1990年代に打ち上げられた初期のEGRETガンマ線観測衛星と、今年10周年を迎えるNASAの旗艦ミッションであるフェルミ衛星を比べてみましょう。EGRETが天空で検出したガンマ線源は約190個にすぎませんでした。フェルミ衛星は5,000個以上を観測しています。

現在チリで建設中の光学望遠鏡、大型シノプティック・サーベイ望遠鏡は、数夜ごとに全天を撮影します。感度が非常に高いため、新しいまたは一時的な天体について毎晩 1,000 万件のアラートが生成され、10 年後にはカタログが 15 ペタバイト以上になります。

スクエア・キロメートル・アレイは2020年に完成すれば、世界一感度の高い望遠鏡となり、最大50光年離れた異星文明の空港レーダー基地を検知できるようになる。わずか1年間の運用で、インターネット全体よりも多くのデータを生成することになる。

これらの野心的なプロジェクトは、科学者のデータ処理能力を試すことになる。画像は自動的に処理される必要があるため、データを扱いやすいサイズに縮小するか、完成品に変換する必要がある。新しい観測所は計算能力の限界に挑戦しており、1日あたり数百テラバイトを処理できる設備が必要となる。

結果として得られるアーカイブ（すべて公開検索可能）には、一般的な 1 TB バックアップ ディスクに保存できる情報よりも 100 万倍多くの情報が含まれます。

新たな科学の開拓

データの氾濫により、天文学はこれまで以上に協力的でオープンな科学となるでしょう。インターネット アーカイブ、強力な学習コミュニティ、新しいアウトリーチ活動のおかげで、市民は科学に参加できるようになりました。たとえば、コンピューター プログラム Einstein@Home を使用すると、誰でもコンピューターの空き時間を利用して、衝突するブラックホールからの重力波の探索に協力できます。

科学者にとっても、今はエキサイティングな時代です。私のような天文学者は、人間の寿命をはるかに超える時間スケールで物理現象を研究することが多く、リアルタイムで観察することは不可能です。典型的な銀河の合体のような現象は、まさにその名の通り、何億年もかかることがあります。私たちが捉えられるのは、自動車事故のビデオから切り取った1フレームのようなスナップショットだけです。

しかし、数十年、数年、あるいは数秒という短い時間スケールで起こる現象もあります。科学者たちは、新しい研究で何千ものブラックホールを発見したのも、このためです。また、科学者たちは、近隣の矮小銀河の中心からのX線放射が、1990年代に初めて検出されて以来、弱まっていることに最近気づきました。これらの新しい発見は、数十年にわたるアーカイブデータでさらに多くのものが見つかるであろうことを示唆しています。

私自身の研究で、ハッブル宇宙望遠鏡のアーカイブを使って、ブラックホールからビーム状に放出される高速プラズマ「ジェット」の動画を制作しています。13年間に渡る400枚以上の生画像を使って、近くの銀河M87のジェットの動画を制作しました。その動画では、初めてプラズマのねじれ運動が示され、ジェットがらせん構造をしていることが示唆されました。

こうした研究が可能になったのは、私が幼稚園のころ、他の観測者が別の目的で、たまたま私が興味を持っていた天体の画像を撮影したからにほかなりません。天体画像がさらに大きくなり、解像度も上がり、感度も高まるにつれて、こうした研究が当たり前になるでしょう。

アイリーン・マイヤーはメリーランド大学ボルチモア郡校の物理学助教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。