2019年もノーベル物理学賞を楽しもう!【後編】~たくさんの窓から見える新しい宇宙~

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こんにちは!ノーベル物理学賞チームぶつりーずの片平です。
みなさんにノーベル物理学賞を通してみた、物理研究の面白さを紹介するブログ後編です!

前回のブログで、2002年ノーベル物理学賞"天体物理学とくに宇宙ニュートリノの検出へのパイオニア的貢献"と"宇宙X線源の発見を導いた天体物理学へのパイオニア的貢献"に代表される、宇宙を見つめるたくさんの窓、マルチメッセンジャー天文学が開かれる歴史を見てきました。

今回の記事では、マルチメッセンジャー天文学によって、どんな宇宙の姿が見えてくるのか、現代の研究についてお話していきます。

 

■ まずは前回の復習

これまで私たち人類は、目に見える光(可視光)だけでなく、赤外線や紫外線、さらに電波やX線という波長の異なる眼には見えない光をキャッチすることで、宇宙の姿を知ることができるようになってきました。さらには、ニュートリノや重力波といった光以外のものさえも観測する技術が生まれ、これらを組み合わせた宇宙観測はいま、マルチメッセンジャー天文学、と言われ注目されています。

このようにさまざまなメッセンジャーを受け取って宇宙の姿を明らかにする、という研究がこれから発展していくことへの期待、それに私たちが気づくきっかけとなったのが、X線とニュートリノの観測を同時に選んだ2002年ノーベル物理学賞だったのではないか、と感じたことをお伝えしました。

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マルチメッセンジャー発見と宇宙観測への利用の歴史
(科学コミュニケーター片平作成)

マルチメッセンジャー天文学によって、これから何を観測し、何を明らかにしていくのでしょうか。今回は、その研究対象の1つ、ガンマ線バーストについてお話していきます。

 

■ ガンマ線の発見

まずは他のメッセンジャーと同じく、ガンマ線の発見から。
ガンマ線は1900年、ポール・ヴィラールによって発見されました。1896年の放射線の発見(1903年ノーベル物理学賞/アンリ・ベクレル&キュリー夫妻)以来、放射線の研究が進められる中、アルファ線、ベータ線に続く3つ目の放射線であるガンマ線が発見されました。ちなみにこれらの放射線の名付け親であるラザフォードは1908年にノーベル「化学」賞を受賞しています。

宇宙から飛来するガンマ線の観測は、1967年に2つの人工衛星によって始まりました。1つは、NASAの太陽観測衛星であるOSO-3、そしてもう1つは核実験を監視するために作られたアメリカ空軍の軍事衛星Vela。1967年7月2日、地上を監視していたVelaが宇宙から短時間に大量に飛来するガンマ線を観測しました。この時観測した、ガンマ線が爆発的に放出される現象がガンマ線バースト(Gamma Ray Burst)です。この初めて観測されたガンマ線バーストはその発生日から、GRB670702と名付けられています。

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■ ガンマ線バーストの観測

ガンマ線バーストという現象はその後も何度か観測されたものの、短時間の爆発的な現象であるため、その起源や実態、この現象がいったい地球からどのくらい離れた場所で起きている現象なのかもわからない。という時代が長く続きました。

この現象が私たちの銀河系の中で起きているのか、その外側で起きているのか、が明らかになったのは1997年2月28日に発生したガンマ線バースト(GRB970228)の観測によってでした。
イタリアの衛星ベッポ・サックスはガンマ線を検出した後、このガンマ線バーストからX線が放出されていることを観測し、その位置が特定できました。さらに可視光や赤外線で数日間に渡って観測した結果から、この現象が銀河系よりもはるかかなた(81億光年先)で起きていることがわかりました。

こうして、いくつかの観測を組み合わせて研究が進められていますが、いまだにそのすべてが明らかになったわけではありません。ただ、宇宙で最も強く光る爆発と言われるガンマ線バーストの観測によって、宇宙の起源に迫る研究が進んでいます。2つのトピックスを紹介しましょう。

 

■ ガンマ線バーストからわかる宇宙の起源(1)重元素の起源

私たちの体や、身の回りの物、地球などなど、これらは全て原子(元素)で出来ています。ただし、さまざまな原子を一覧にした周期表の中でも下の方に位置する元素、例えば金やプラチナなどの(重)元素がいったいどのようにして生まれたのか。一部は星の死と言われる超新星爆発によって生まれることが明らかになっていたものの、それだけでは今宇宙に存在する重元素の量を十分に説明することはできない、と考えられています。

 

その一端が明らかになったのが、GRB170817A(2017年8月17日に発生したガンマ線バースト、同日に複数のガンマ線バーストが観測された場合、順番にA,B,...とつけられます。)と同時に観測された重力波GW170817(同じくGravity Waveより)に続く一連の観測によるものです。

発生した現象は、2つの中性子星が

① お互いに相手の周りを回転しながら接近
② 合体(ガンマ線バーストが発生)
③ 中性子星の物質の一部がまき散らされ、その中から重元素が誕生

というような現象でした。

(観測結果から制作されたこちらのアニメーションがイメージしやすいので、ぜひご覧ください。
NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab のMOVIE

 

と、このように説明できるのも、①で発生する重力波を検知→②合体によるガンマ線バーストが発生→③重元素が誕生する時に発生する可視光・赤外線を観測 と、それぞれのメッセンジャーで観測が行われ、③の可視光や赤外線の光の強さや、光が減少していくパターンが予測されていた理論と一致したためです。重元素の起源に中性子星の連星合体が関連していることを、初めて観測としてとらえ、長年の謎の解明に向けて一歩を踏み出した出来事でした。

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M.Tanaka et al. , Publications of the Astronomical Society of Japan (2017), Vol. 69, No. 6 より
横軸にGW170817が発生してからの時間(日)を、
縦軸に光の明るさを表しています。
線がシミュレーションの結果を、点が観測結果です。
両者がそれぞれの色で近い=シミュレーションの予測が実際に観測されたことがわかります。

 

一方で、X線はすぐには観測されず、9日後の観測では検出されたことなども報告されています。重力波を含むマルチメッセンジャーによる観測がその効果を大きく発揮した例でした。

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Abbott et al. : The Astrophysical Journal Letters, 848:L12 (59pp), 2017 October 20 より

上から重力波、ガンマ線、X線、紫外線、可視光、赤外線、電波での観測されたタイミング・観測した装置が一覧になっている。
(例えばOpticalの下には日本のすばる望遠鏡も参加しており、Subaruと書かれている)


 

ガンマ線バーストからわかる宇宙の起源(2)宇宙の再電離

ガンマ線バーストは非常に強い爆発現象で、強いガンマ線の光を放ちます。そのため、ガンマ線バーストが起きている天体そのものの観測だけでなく、発生場所から地球までの間の宇宙がどうなっているか、を明らかにする光源と考えることもできます。

ガンマ線バーストから届く光を見ることでわかること、それが宇宙の再電離です。宇宙の歴史はざっくり言ってしまうと水素原子が電離している状態(H+)か中性の状態(H)であるか、によって3つの時代に分かれます、ビッグバン直後の陽子や電子などがバラバラに飛び交っていた初期の宇宙(電離した水素 H+)、宇宙が膨張したことで冷え、原子核と電子が結合した宇宙誕生から37万年後頃からの時期(H)、そして宇宙誕生から数億年後に、最初の世代の銀河や星が生まれ、それらが放つ紫外線で水素が再び電離して現在の宇宙が形成された時期(H+)、の3つにわかれます。

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しかし、この再電離がどのように進んでいったのかはよくわかっていません。再電離、つまり宇宙の水素の状態を調べると、初期の宇宙でどのくらいの勢いよく星が生まれてきたかの理解に繋がります。

それを詳しく探る方法の1つとして、昔(=遠方)の宇宙から届く光を観測し、再電離する前の水素(Hの状態)を検出します。具体的には、はるか遠くのガンマ線バーストから来る強い光を観測して、中性水素が存在していると吸収される波長の光(本来紫外線となる波長で、観測される時には宇宙の膨張によるドップラー効果で赤外線に近い波長で観測される光)を測定します。その観測する強い光源として、ガンマ線バーストは非常に有力です。

これまでガンマ線バーストをすばる望遠鏡で観測した結果を解析し、宇宙誕生から9億年経った頃には再電離していること(GRB050904の観測)、10億年頃にも電離していない水素がある程度残っていること(GRB130606Aの観測)、がわかっています。

 

■ いよいよ物理学賞の発表!

2回に渡って、宇宙を見つめる窓、マルチメッセンジャーがいかに揃ってきたのか、それらによって、何がわかるようになってきたのか、その途中に現れる数々のノーベル賞をご紹介してきました。

このブログの執筆真っ最中の10月4日、また新しい宇宙を見つめる窓、日本の大型低温重力波望遠鏡KAGRAの完成が報じられました。(https://www.nao.ac.jp/news/topics/2019/20191004-kagra.html

今日、この瞬間も宇宙を見つめる研究が進んでいます。これから先、何がわかるのか、はたまた新たなメッセンジャーが発見されるのか、いずれもノーベル賞級の発見につながることに間違いありません!

さて、今年は一体どんな研究が受賞するのか、物理学賞の発表はいよいよ本日10月8日(火)です、楽しみにしましょう。そしてその研究が一体、これまでのどんな研究とつながっているのか、これからどんなことを明らかにすることを期待されているのかにも、注目してご覧ください。