はじめに
1930 年代、フランスの物理学者ピエール・オージェは、アルプスの尾根沿いにガイガーカウンターを設置し、最大 300 メートル離れていても、時々自動的に同時にカチッという音を立てることを観察しました。彼は、この偶然のクリック音は宇宙線、つまり宇宙からの荷電粒子が空の空気分子に衝突し、地面に雨を降らせる粒子シャワーを引き起こして発生したものであることを知っていました。しかし、オージェは、宇宙線が彼が見ていたような巨大なシャワーを引き起こすためには、途方もない量のエネルギーを運ばなければならないことに気づきました。その量は、1939 年に彼が書いたように、「単一のプロセスが粒子にそのようなエネルギーを与えることができることを想像することは実際には不可能です。」
物理学者は、ガイガーカウンターや他の種類の検出器のより大きなアレイを構築する際に、宇宙線がオージェの想定よりも少なくとも 100,000 倍高いエネルギーに達することを学びました。
宇宙線は単なる原子核、つまり陽子または陽子と中性子のクラスターです。しかし、「超高エネルギー」宇宙線として知られる稀な宇宙線は、プロが提供するテニスボールと同じくらいのエネルギーを持っています。これらは、ヨーロッパにある大型ハドロン衝突型加速器の円形トンネルの周りを光速の 99.9999991% で飛び回る陽子よりも何百万倍もエネルギーが高いのです。実際、これまでに検出された中で最も高エネルギーの宇宙線は、「オーマイゴッド粒子」と呼ばれ、1991 年に光速の 99.99999999999999999999951% 程度の速度で空に衝突し、肩の高さからつま先に落とすボウリングのボールとほぼ同じエネルギーを与えました。 「陽子を私たちが目にするエネルギーまで加速するには、水星の軌道と同じくらいの大きさの衝突型加速器を建設する必要があります」と、ドイツのカールスルーエ工科大学の天体物理学者であり、世界最大の宇宙線観測所であるアルゼンチンのピエール・オージェ天文台の共同リーダーであるラルフ・エンゲル氏は述べています。
問題は、宇宙で加速しているものは何でしょうか?
超新星爆発は現在、オージェが82年前に初めて観測した驚くべきエネルギーの宇宙線を発生させる可能性があると考えられている。超新星は、それ以来観察されているような驚くべき粒子を生み出すことはおそらく不可能です。これらの超高エネルギー宇宙線の起源は依然として不明です。しかし、最近の一連の進歩により、検索範囲は大幅に狭まりました。
2017 年、オージェ天文台は重大な発見を発表しました。ロードアイランド州ほどの広さのアルゼンチンの大草原に点在する 1,600 台の粒子検出器と 27 台の望遠鏡を備えたこの天文台は、過去 13 年間に何十万もの超高エネルギー宇宙線の空中シャワーを記録してきました。研究チームは、空の半分から来る光線がもう一方の半分よりも 6% 多いと報告しました。これは、宇宙線の到来方向で決定的に検出された初めてのパターンです。
最近、ニューヨーク大学の 3 人の理論家が、専門家が非常に説得力があると考える不均衡について洗練された説明を提供しました。 Chen Ding、Noémie Globus、Glennys Farrar による新しい論文は、超強力な宇宙線加速器が珍しいものではなく、宇宙的に言えば遍在していることを示唆しています。
ユタ州のオージェ天文台と望遠鏡アレイも、空にあるより小さく微妙な宇宙線「ホットスポット」、おそらく近くの線源の位置を検出しました。特定の候補オブジェクトは正しい位置にあります。
超高エネルギー宇宙線によって生成される超高エネルギーニュートリノの形で、さらなる手がかりが得られています。まとめると、最近の発見は、宇宙の超強力な加速器の探索を 3 つの主要な候補に集中させました。現在、理論家たちはこれらの天体物理学的天体が実際に十分な速度で粒子を私たちに向かって飛ばすことができるかどうか、そしてもしできるならどのようにして飛ばすことができるかを確認するために、これらの天体物理学のモデル化に忙しくしています。
これらの推測はまったく新しいものであり、いかなるデータにも制約されません。 「高エネルギーに行くと、物事は本当に未踏の状態になります」とエンゲル氏は言いました。 「あなたは本当に何もないところに行きますね。」
微妙な不均衡
超高エネルギー宇宙線の原因を知るためには、まずその宇宙線がどこから来ているかを確認する必要があります。問題は、粒子は帯電しているため、ここでは直線的に移動しないことです。磁場を通過すると経路が曲がります。
さらに、超高エネルギー粒子は稀であり、地球の空の各平方キロメートルに衝突するのは、1 年に 1 回程度です。到着方向のパターンを特定するには、膨大なデータセットから微妙な統計的不均衡を明らかにする必要があります。
パターンが現れるまでにどれだけのデータが必要になるかは誰も知りませんでした。物理学者たちは何十年もかけて、パターンのヒントすら見出すことなく、ますます大規模な検出器のアレイを構築してきました。そして 1990 年代初頭、スコットランドの天体物理学者アラン ワトソンとアメリカの物理学者ジム クローニンは、本当に大きな事業に取り組むことを決意しました。彼らは、後に 3,000 平方キロメートルのオージェ天文台となる場所に着手しました。
最後に、それで十分でした。オージェチームがサイエンスで報告したとき 2017年に、空の2つの半分の間に6%の不均衡が検出されたことを発見した。つまり、空の特定の方向からの粒子の過剰が、反対方向を中心とした不足にスムーズに移行するということである。「それは素晴らしく刺激的だった」とワトソン氏は語った。 「私は 1960 年代以来、この分野で非常に長い間働いてきました。そして、異方性が生じたのはこれが初めてです。」
サミュエル・ベラスコ/クアンタ・マガジン;出典:arxiv.org/pdf/2101.04564
しかし、データは不可解でもありました。過剰な宇宙線の方向は天の川銀河の中心付近ではなく、超高エネルギー宇宙線が銀河の外側から来るという長年の仮説を裏付けている。しかし、それはどこにもありませんでした。それは、近隣の銀河にある超大質量ブラックホールのような強力な天体物理学の位置とは一致しませんでした。それは、近くに密集した銀河団であるおとめ座銀河団ではありませんでした。それはおおいぬ座の近くにある、ただの鈍く暗い点でした。
当時エルサレムのヘブライ大学の博士研究員だったノエミー・グロバスは、このパターンを説明する方法をすぐに思いつきました。彼女は単純化することから始めました。宇宙のあらゆる物質は、等しい確率で少数の超高エネルギー宇宙線を生成します。次に彼女は、これらの宇宙線が近くの銀河、銀河群、銀河団（総称して宇宙の大規模構造として知られている）から発せられ、銀河間空間の弱い磁場を通ってここを通過する際にどのようにわずかに曲がるのかを計画した。当然のことながら、彼女の偽地図は、乙女座から発せられる宇宙線の濃度が最も高く、大規模な構造物そのものをぼかした写真に過ぎません。
彼女の宇宙線過剰は、オージェのデータを説明するのに適切な場所ではありませんでしたが、彼女はその理由がわかっていると思っていました。それは、彼女が天の川の磁場を適切に説明していなかったからです。 2019年、グローバス氏は天体物理学者グレニーズ・ファラー氏と協力するためニューヨーク大学に移った。ファラー氏が当時大学院生だったロニー・ヤンソン氏と開発した2012年の天の川磁場のモデルは、今も最先端のままだ。銀河の磁場がなぜそのような形になっているのかはまだ誰も理解していませんが、ファラーとヤンソンは偏光の 40,000 回の測定からその幾何学形状を推測しました。彼らは、磁力線が銀河の渦巻き腕に沿って時計回りと反時計回りの両方に弧を描き、銀河円盤から垂直に放射され、上昇するにつれてねじれていることを確認しました。
ファラー氏の大学院生チェン・ディン氏は、大規模構造物から来る超高エネルギー宇宙線のグローバスマップを洗練するコードを書き、この入力をファラー氏とヤンソン氏がモデル化した銀河磁場の歪みレンズに通した。 「そしてなんと、観察結果とこの驚くべき一致が得られました」とファラー氏は言いました。
おとめ座から発生した宇宙線は、銀河のねじれた磁力線の中で曲がり、オージェがその超過の中心を見るおおいぬ座の方向から私たちに衝突します。研究者らは、異なるエネルギーの宇宙線に対して、結果として得られるパターンがどのように変化するかを分析した。彼らは、オージェのデータのさまざまなサブセットとの厳密な一致を一貫して発見しました。
超高エネルギー宇宙線の起源に関する研究者の「連続モデル」は単純化したものであり、あらゆる物質が超高エネルギー宇宙線を放出するわけではない。しかし、その驚くべき成功により、実際の光線源は豊富であり、大規模な構造をたどってすべての物質に均一に広がっていることが明らかになりました。この研究はThe Astrophysical Journal Letters に掲載される予定です。 、広く賞賛を集めています。 「これは本当に素晴らしい一歩です」とワトソン氏は言いました。
すぐに、特定の銘柄が上昇しました。特に、宇宙で比較的一般的でありながら、オーマイゴッド粒子を生成するのに十分特別な可能性を秘めた 3 種類の候補天体です。
イカロス スター
2008 年、ファラー氏と共著者は、潮汐破壊現象 (TDE) と呼ばれる大変動が超高エネルギー宇宙線の発生源である可能性があると提案しました。
TDEは、星がイカロスを引き寄せ、超大質量ブラックホールに近づきすぎると発生します。星の前面は背面よりもはるかに大きな重力を感じ、星は粉々に引き裂かれ、渦を巻いて深淵に落ちます。渦巻きは約1年間続きます。それが続く間、2 つの物質のジェット (破壊された星の亜原子の破片) がブラック ホールから反対方向に飛び出します。これらのビーム内の衝撃波と磁場が共謀して、原子核を超高エネルギーに加速してから宇宙に発射する可能性があります。
潮汐破壊現象は、どの銀河でもおよそ 10 万年に 1 回発生します。これは、宇宙論的には常にどこでも発生しているのと同じです。銀河は物質の分布を追跡するため、TDE はディン、グロバス、ファーラーの連続モデルの成功を説明できる可能性があります。
さらに、TDE の比較的短いフラッシュにより、他のパズルが解決されます。 TDE の宇宙線が私たちに届くまでに、TDE は何千年もの間暗闇になっているでしょう。同じ TDE からの他の宇宙線は、別々の曲がった経路をとる可能性があります。何世紀も到着しない人もいるかもしれません。 TDE の一時的な性質は、既知の天体の位置と強い相関関係がなく、宇宙線の到着方向にほとんどパターンがないように見える理由を説明できる可能性があります。 「今では、それらは主に一時的なものだと信じたいと思っています」とファラー氏はエイの起源について語った。
TDE 仮説は、Nature Astronomy で報告された観察から、最近さらに勢いづいています。 2 月に。
論文著者の一人であるロバート・スタイン氏は、2019年10月、南極のアイスキューブニュートリノ観測所から警報が入ったとき、カリフォルニアにあるツウィッキー過渡現象工場と呼ばれる望遠鏡を操作していた。 IceCube は特にエネルギーの高いニュートリノを発見しました。高エネルギーニュートリノは、さらに高エネルギーの宇宙線が、それが生成される環境内の光や物質から散乱するときに生成されます。幸いなことに、ニュートリノは中性であるため、直線で私たちに到達するため、親宇宙線の発生源を直接指します。
スタインはアイスキューブのニュートリノが到着する方向に望遠鏡を回転させました。 「ニュートリノが到達した位置から潮汐破壊現象が起きていることがすぐにわかりました」と彼は言いました。
この対応により、TDE が超高エネルギー宇宙線の少なくとも 1 つの発生源である可能性が高くなります。しかし、ニュートリノのエネルギーはおそらく低すぎて、TDE が最も高いエネルギーの線を生成することを証明できませんでした。研究者の中には、これらの過渡現象が観測されたエネルギースペクトルの極限まで原子核を加速できるかどうかを強く疑問視している人もいます。理論家たちは、そもそもイベントがどのようにして粒子を加速するのかをまだ研究中です。
一方、他の事実により、一部の研究者の注意は別の場所に向けられています。
スターバースト スーパーウィンド
オージェやテレスコープアレイなどの宇宙線天文台も、最高エネルギーの宇宙線の到達方向に小さく微妙に集中するホットスポットをいくつか発見している。 2018年、オージェは、ホットスポットとここから数億光年以内の天体物理学の位置とを比較した結果を発表した。 (より遠くからの宇宙線は、飛行中の衝突で多大なエネルギーを失います。)
相互相関コンテストでは、宇宙線の偏向の経験を考慮すると、当然のことながら、どのタイプの物体も例外的に優れたパフォーマンスを発揮することはありませんでした。しかし、最も強い相関関係が多くの専門家を驚かせた。光線の約 10% は、いわゆる「スターバースト銀河」の方向から 13 度以内から来ていた。 「それらはもともと私の計画にはありませんでした」と、オージェチームのメンバーであるカールスルーエ工科大学のマイケル・ウンガーは言いました。
1999 年に超高エネルギー宇宙線の起源としてスターバースト銀河を提案した、ニューヨーク市立大学リーマン カレッジの天体物理学者、ルイス アンコルドキほど興奮した人はいませんでした。「私は、データが現在示しているモデルを提案した人だったため、これらのことにある種の偏見を持っている可能性があります。」と彼は言いました。
スターバースト銀河は常に大量の巨大な星を生み出します。巨大な星は速く生き、超新星爆発で若くして死んでしまいます。アンチョドキは、すべての超新星が集合した衝撃波によって形成される「超風」が、宇宙線を私たちが検出する驚くべき速度まで加速させるものであると主張しています。
誰もがこのメカニズムが機能することを確信しているわけではありません。 「問題は、その衝撃がどれくらいの速さなのかということです。」ハイデルベルク大学の天体物理学者フランク・リーガー氏は言う。 「彼らが最高のエネルギーに向かうことを期待すべきでしょうか? 現時点では、私はそれについて疑問を持っています。」
他の研究者は、スターバースト銀河内の物体が宇宙線加速器として機能している可能性があり、相互相関研究はこれらの他の天体を豊富に検出しているだけだと主張している。 「一時的な出来事を自然の源として考える人間として、スターバースト銀河にはそれらが非常に豊富に含まれているので、問題はありません。」とファラー氏は言いました。
活動銀河
相互相関研究では、スターバースト銀河ほどではないものの、別の種類の天体、つまり活動銀河核 (AGN) と呼ばれる天体がパフォーマンスを示しました。
AGN は「活動」銀河の白く熱い中心であり、プラズマが中心の超大質量ブラック ホールを飲み込みます。ブラック ホールはプラズマを吸い込みながら、長時間持続する巨大なジェットを噴射します。
「ラジオラウド」AGN と呼ばれる特に明るいサブセットの高出力メンバーは、宇宙で最も明るい持続天体であるため、長い間、超高エネルギー宇宙線源の有力な候補となってきました。
しかし、これらの強力な電波大音量の AGN は、宇宙ではあまりにも稀なので、ディン、グロバス、ファラーのテストに合格することはできません。これらが大規模構造物の追跡者になる可能性はありません。実際、私たちの宇宙の近隣には、ほとんど存在しません。 「それらは素晴らしい情報源ですが、私たちの裏庭にはありません」とリーガー氏は言いました。
それほど強力ではない無線音量の AGN がはるかに一般的であり、連続モデルに似ている可能性があります。たとえば、最も近い電波大音量の AGN であるケンタウルス A は、オージェ天文台の最も目立つホットスポットに位置しています。 (スターバースト銀河も同様です。)
リーガー氏と他の専門家は、長い間、低出力の AGN で陽子をオーマイゴッド粒子レベルまで加速するのに真剣に取り組んできました。しかし、最近の発見により、彼らは「ゲームに戻ってきた」と彼は言いました。
天体物理学者は、すべての宇宙線の約 90% が陽子 (つまり、水素原子核) であることを長い間知っていました。残りの 9% はヘリウム原子核です。放射線は、酸素や鉄などのより重い原子核である可能性がありますが、専門家は、これらは超高エネルギー宇宙線の加速に必要な激しいプロセスによって引き裂かれるだろうと長い間考えていました。
そして、2010 年代初頭の驚くべき発見として、オージェ天文台の科学者たちは、空気シャワーの形状から、超高エネルギー線のほとんどが炭素、窒素、シリコンなどの中重量核であると推測しました。これらの原子核は、低速で移動しながら陽子と同じエネルギーを達成します。その結果、宇宙加速器の候補がどのように機能するかを想像しやすくなります。
たとえば、リーガー博士は、低出力の AGN がより重い宇宙線を超高エネルギーに加速できるメカニズムを特定しました。粒子は AGN のジェット内で左右に漂い、流れの最も速い部分に再び入るたびに衝撃を受ける可能性があります。 「その場合、彼らは低出力の無線源を使ってそれができることに気付きました」とリーガー氏は語った。 「私たちの裏庭ならもっとたくさんあるでしょう。」
別の論文では、潮汐破壊現象が自然に中量核を生成するかどうかを調査した。論文の共著者であるアリゾナ州立大学の天体物理学者セシリア・ルナルディーニ氏は、「答えは、破壊された星が白色矮星であれば、それが起こる可能性があるということだ」と述べた。 「白色矮星は炭素と窒素というこの種の組成を持っています。」もちろん、TDEはどんな「不幸なスター」にも起こり得る、とルナルディーニ氏は語った。 「しかし、白色矮星はたくさんあるので、これがあまり人為的なものとは思えません。」
研究者らは、最高エネルギーの宇宙線が重い側にあることの影響を調査し続けている。しかし、それによって加速する方法の問題が容易になるという点では彼らも同意できます。 「より高いエネルギーに向かう重い組成は、物事をよりリラックスさせます」とリーガー氏は言いました。
一次ソース
加速器候補の短いリストが具体化するにつれて、正しい答えの探索は引き続き新しい観察によって導かれることになるでしょう。誰もがアップグレードされた天文台であるオーガープライムに興奮しています。今年後半からは、全体の組成を推定するのではなく、個々の宇宙線事象の組成を特定する予定だ。そうすることで、研究者は地球に向かう途中で最も偏向が少ない陽子を分離し、その到着方向を振り返って個々の発生源を特定することができる。 (これらの発生源は、おそらくより重い原子核も生成すると考えられます。)
多くの専門家は、さまざまな線源が超高エネルギー宇宙線スペクトルに寄与しているのではないかと疑っています。しかし、彼らは通常、1 つのソース タイプが優勢であり、スペクトルの最端に到達するのは 1 つのソース タイプだけであると予想しています。 「私はそれが 1 つしかないことに賭けています」とアンガー氏は言いました。
編集者注:Noémie Globus は現在、チェコ共和国の ELI Beamlines とニューヨークの Flatiron Institute に所属しています。フラットアイアン研究所はサイモンズ財団から資金提供を受けており、編集上独立したこの雑誌にも資金を提供しています。シモンズ財団との提携 当社の補償範囲とは関係ありません .
この記事は Wired.com に転載されたものです .
