多くの高エネルギー異常により、天体物理学者が暗黒物質を初めて直接垣間見たのではないかという期待が高まりました。新しい研究は、別の発生源が原因である可能性を示唆しています。
メシエ 82 銀河の中心近くにあるパルサーをアーティストが見た図。
はじめに
2009 年、ダン フーパーと彼の同僚は、これまで誰も気づかなかった銀河の中心から発せられる輝きを発見しました。 1 年前に打ち上げられた衛星、フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡からの公開データを分析した後、研究チームは、天の川銀河の中心が天体物理学者が説明できるよりも多くのガンマ線を放射していると結論付けました。
この発見はあまりにも予想外だったので、当時、それが本物であると信じる人はほとんどいませんでした。フーパー氏がフェルミ共同研究のメンバーではなく、フェルミチームが公開したデータを盗み出した部外者だったことは助けにはならなかった。フェルミに取り組んでいる科学者の一人は、フーパー氏が単にデータを適切に解釈する方法を知らなかっただけだと主張し、フーパー氏の研究を「素人的」と呼んだ。
しかし、時間が経つにつれて、天体物理学者は、説明できる以上の高エネルギー放射線が銀河を通って流れていることに気づき始めました。フーパー氏がフェルミデータの分析を開始するちょうど1年前、ミラグロと呼ばれるニューメキシコ州のガンマ線検出器が、銀河面全体から来たと思われる大量の超高エネルギーガンマ線を発見した。そして 2014 年には、国際宇宙ステーションの実験であるアルファ磁気分光計 (AMS) が、説明できる以上の量の反物質が銀河を流れていることを発見し、衛星や気球の実験による初期の観測を裏付けました。
これら 3 つの異常は、もし本当であれば、私たちの知らない何かが宇宙で起こっていることを示していました。フーパーを含む多くの天体物理学者は、これらの神秘的な信号のうち 2 つは、宇宙の約 4 分の 1 を構成すると考えられている非常に神秘的な物質である暗黒物質の天体物理学的エコーであると主張し始めました。
フェルミ望遠鏡の打ち上げからほぼ10年が経った今年、研究者らはほぼ合意に達した。まず、ほぼすべての天体物理学者は現在、私たちの天の川の中心が既知のガンマ線源のモデルが示唆するよりもはるかに多くのガンマ線を生成していることに同意していると、スタンフォード大学の天体物理学者でフェルミ共同研究のメンバーであるルイージ・ティバルドは述べ、したがってフーパーのかつての「素人的」主張を正当化すると述べた。
第二に、余分な放射線はおそらく暗黒物質によるものではありません。最近の多くの研究により、パルサー (高速回転する中性子星) が 3 つの謎すべてを説明できると多くの研究者が確信しています。
唯一の問題は、誰もそれらを見つけられないようだということです。
ダークマターデイズ
銀河の中心は、星や塵、そしておそらくは暗黒物質が密集した混雑した場所です。天体物理学者は長い間、暗黒物質は通常の物質とは容易には相互作用しない粒子、いわゆる「弱く相互作用する大質量粒子」、つまり WIMP でできているのではないかと考えてきました。場合によっては、これらの WIMP が互いに衝突することがあります。そうなると、ガンマ線が発生する可能性があります。おそらくそれが銀河中心で起こっていることなのかもしれない、とフーパー氏は 2009 年に示唆しました。
この理論は、フーパー氏がちょうど 1 年前に提案した別のアイデアと一致しました。 2008年、彼と3人の共著者は、WIMPの一種であるニュートラリーノの衝突によってエキゾチックな粒子のシャワーが生成され、その後崩壊して素粒子になったと主張する論文を発表した。このプロセスは、パメラと呼ばれる宇宙実験で以前に発見された、異常に高レベルの陽電子 (電子の反物質に相当するもの) を説明することになります。
この場合、フーパーは良い仲間でした。オハイオ州立大学の天体物理学者ティム・リンデン氏は、パメラ氏の最初の結果以来、「誇張することなく」約1,000の論文が陽電子過剰の謎を説明しようと試みてきたと述べた。これらの論文の大部分は暗黒物質の解釈を支持しました。 2014 年、パメラの結果は AMS からのデータによって裏付けられました。
ここで国際宇宙ステーションの前景に見られるアルファ磁気分光計は、最終的には暗黒物質対パルサーの論争に決着を付ける可能性があります。
さらに他の科学者たちは、これらの暗黒物質に基づく説明の両方にすぐに穴を開け始めました。銀河中心の場合、WIMP の衝突により、濃い霧を通して見える投光器のように、滑らかでぼんやりとしたガンマ線の輝きが生じるはずです。しかし、天体物理学者がガンマ線の輝きを詳しく調べたところ、点描のような光のパッチワークが発見されました。あたかもガンマ線が多数の個々の点源から来ているかのように見えました。
そして、WIMP がこれらすべての陽電子を生成しているのであれば、大量のガンマ線も生成しているはずです。しかし、天文学者が近くの矮小銀河（大量の暗黒物質が存在すると考えられている）を観察するとき、ガンマ線は現れません。
これらの暗黒物質モデルの緊張により、天体物理学者は、より天体物理学的に平凡な選択肢を検討することを余儀なくされました。
パルサーの台頭
ほとんどの科学者は暗黒物質が存在することをかなり確信していますが（たとえ直接観察できなくても）、モデルは依然としてエキゾチックであると考えられています。それほど珍しいものではありませんが、実際に望遠鏡で検出できる天体物理学的放射線源です。そのため、データによって暗黒物質の根拠が揺らぎ始めると、フーパーを含む多くの研究者は、パルサーという、もっとありふれた説明を考え始めました。
パルサーは、超高密度で高速回転する物体です。中性子星は、超新星爆発を起こした大質量星の死んだ核です。それらは、灯台からの光線のように、パルサーとともに回転する放射線のジェットを放出します。このビームが地球を横切るとき、私たちの望遠鏡はエネルギーの閃光を記録します。
2015年、2つのグループ（1つはアムステルダム大学の天体物理学者であるクリストフ・ウェニガーが率いるグループ、もう1つはマサチューセッツ工科大学の理論物理学者であるトレイシー・スラティアが率いる）は、パルサー理論に大きな後押しを与える証拠を別々に発表した。各チームは若干異なる方法を使用しましたが、基本的にはどちらも銀河の中心を覆う空の領域を多数のピクセルに分割しました。次に、彼らは各ピクセルの変動の数を数えました。つまり、灯台の光が地球の表面を横切って揺れるのを観察したのです。研究者らは、ピクセル間の大きな違い、つまり空のホットパッチとコールドパッチを発見しました。これは、信号が異なる点源から来ていると仮定すると、はるかに簡単に説明できます。 「これはパルサーから予想されることです。なぜなら、空の場所によっては、他の場所に比べてより明るいパルサー、またはより多くのパルサーが存在する可能性があるからです」とリンデン氏は言いました。
現在、ほとんどの天体物理学者は、銀河内の陽電子の異常な多さもパルサーによるものである可能性があると考えています。パルサーは巨大な磁場を生成し、物体の残りの部分とともに回転します。回転する磁場によって電場が生成され、この電場がパルサーの表面から電子を引き寄せて急速に加速します。電子が磁場中を曲がると、電子は高エネルギーのガンマ線を放出します。この放射線の一部は、自発的に電子と陽電子のペアに変化し、その後パルサーの強力な磁力から逃れるのに十分なエネルギーを持っています。
このプロセスには多くのステップがあり、多くの不確実性が伴います。具体的には、研究者らは、パルサーのエネルギーのどれだけが電子と陽電子の対を作るのに費やされるのかを知りたいと考えています。それは何パーセントのポイントですか？それとも、パルサーのエネルギーの 20 パーセント、あるいは 40 パーセントといったかなりの量になるのでしょうか?後者であれば、パルサーは反物質の過剰を説明するのに十分な陽電子を生成している可能性があります。
研究者たちは、パルサーから出てくる電子と陽電子の数を測定する方法を見つけなければなりませんでした。残念ながら、これは非常に難しい作業です。電子と陽電子は荷電粒子であり、銀河の中をループして曲がりくねって進みます。地球からそれを検出したとしても、それがどこから来たのかを知るのは困難です。
高高度水上チェレンコフ ガンマ線観測所 (HAWC) は、高エネルギーのガンマ線と宇宙線を検出します。
一方、ガンマ線はまっすぐな経路に固執します。これを念頭に置いて、メキシコの高高度水チェレンコフガンマ線天文台（HAWC）と協力している研究者らは、最近、比較的明るく比較的近くにある2つのパルサー、ゲミンガとモノゲムの詳細な研究を行った。彼らは、パルサー自体から来るガンマ線だけでなく、パルサーの周りに比較的広いハローとして現れる超高エネルギーのガンマ線（銀河中心からの過剰な流れの1,000倍のエネルギー）も調べました。このハロー全体を通じて、パルサーから来る高エネルギー電子が周囲の星の光からの低エネルギー光子と衝突しました。この衝突は、ゴルフ ボールを軌道に打ち込む大ハンマーのように、莫大なエネルギーを不気味な光子に伝達しました。
今年初め、フーパー氏とリンデン氏を含むチームは、パルサーの明るさとハローの明るさを比較した研究を発表した。リンデン氏によると、彼らはゲミンガのエネルギーの8～27パーセントを電子と陽電子に変換する必要があると結論づけたという。 Monogemの場合は2倍でした。 「これは、パルサーが銀河系内で膨大な量の電子と陽電子を生成していることを意味します」とリンデン氏は述べました。
Slatyer 氏は、この研究は「パルサーによって生成される高エネルギー陽電子のスペクトルを実際に把握したのは初めてであり、これは大きな前進です。」
この研究は、10年前にニューメキシコ州のミラグロ検出器によって発見された、異常に過剰な超高エネルギーガンマ線の説明にも役立つ。この放射線は、周囲の星の光を加速するパルサーで生成された電子や陽電子から発生している可能性があります。
ダークマターの復讐
すべての謎の放射を説明するのに十分なパルサーを見つけるというハードルが 1 つ残っています。 「余剰分を生成するために、銀河の中心に約50個の[明るい]パルサーが見えるはずです」とリンデン氏は言う。 「その代わりに、私たちはほんの一握りしか見つけられませんでした。」同様に、銀河の残りの部分には、ミラグロと HAWC によって発見された陽電子過剰や豊富な超高エネルギー ガンマ線を説明できるほどのパルサーがまだわかっていません。
ただし、パルサー支持者にとってこの問題はそれほど気にならない。彼らは、近い将来、南アフリカの MeerKAT や、その後継として計画されている南アフリカとオーストラリアのスクエア キロメートル アレイなどの新世代の電波望遠鏡が、銀河内でこれまで目に見えなかった電波源を発見できることを期待しています。
では、暗黒物質対パルサーの論争は決着したのでしょうか?陽電子については、そのようです。かつてはさらに多くの研究者が暗黒物質の解釈を支持していましたが、現在ではそのほとんどがパルサーに傾いています。
そして、銀河の中心ではパルサーが「オッカムのカミソリの候補」であるとスラティア氏は語った。 「暗黒物質消滅シナリオでも同様にデータを説明できますが、パルサーが存在することはわかっていましたが、暗黒物質が消滅するかどうかはわかりません。そのため、パルサー シナリオの方が単純であると考えることができます。」
スラティア氏によれば、銀河中心の暗黒物質による説明はまだ復活する可能性があり、暗黒物質仮説を検証する別の方法も実際に存在するという。宇宙線が星間物質と相互作用するとき、理論的には暗黒物質の消滅中に、陽子の反粒子双子である反陽子が生成されます。パルサーは反陽子を生成できません。研究者らが宇宙線で説明できるよりも多くの反陽子を発見した場合、その発見は暗黒物質のシナリオを後押しすることになる。これはまさにAMSの予備結果が示したものであり、反陽子が過剰に存在する可能性があり、これは暗黒物質粒子の消滅と一致する可能性がある。 AMS の科学者は反陽子の発生源について結論を出していませんが、反陽子の過剰の背後に暗黒物質がある可能性があると主張する 2 つの論文が今年発表されました。
リンデンにとって、パルサーの確認はさらに大きな意味を持つことになる。何十年もの間、私たちが宇宙における宇宙線のエネルギー学について考えるとき、私たちは常に超新星について考えてきました。超新星は陽子を生成し、検出されたすべての宇宙線を生成します。 「超新星があらゆるものを生み出すという、本当に美しい状況が見えてきました」とリンデン氏は語った。 「すべてがリンクして完璧に見えます。」
しかし、パルサーは宇宙で最もエネルギーの高い天体の一つであるにもかかわらず、そのモデルを構築する際にはパルサーからのエネルギーは一般的に無視される、と同氏は付け加えた。 「したがって、この新しい状況が成り立ち、パルサーがこれらの過剰量を生成するのであれば、銀河、そしておそらく宇宙全体の非常にエネルギーの高い放射線のほとんどの発生源についての私たちの解釈が大きく変わることになります。」
とリンデン氏は述べた。少なくとも現時点では、パルサー:3、ダークマター:0 のケースになるかもしれません。 「しかし、これらの信号が暗黒物質であることが判明したくないと言ったら嘘になります」とリンデン氏は言う。 「それはとても、とてもエキサイティングなことでしょう。」
この記事は Wired.com に転載されたものです。暗黒物質の解釈に新たな命を吹き込んだ、2019 年 4 月の分析について読んでください。
クアンタ ニュースレター
メールの受信箱に配信される最も重要なニュースのハイライトを取得します
物理学でも
この記事へのコメント
次の記事
微生物の美しい知性を見る
