高エネルギーニュートリノの謎の発生源を発見

宇宙で最も明るくエネルギーの高い天体のいくつかが、高エネルギー宇宙ニュートリノの“工場”であることが、新しい研究によって確認された。

ユリウス・マキシミリアン・ヴュルツブルク大学とジュネーブ大学（UNIGE）が率いる国際的な研究チームによって、ブレーザーとして知られる、燃え盛る原子核を持つ銀河が、これらの謎めいた粒子とかなり決定的に結びついていることが明らかになった。

この結果は、宇宙物理学者が何年も頭を悩ませてきた問題に対して、実に予想外の解決策を提供するものだ。

「この結果は、PeVatronブレーザーのサブサンプルが銀河系外のニュートリノ発生源であり、したがって宇宙線加速器であるという揺るぎない観測的証拠を初めて提供します」と、ドイツのユリウス・マキシミリアン・ヴュルツブルク大学の天体物理学者サラ・ブソン氏は述べている。

ニュートリノは実に奇妙な代物だ。この素粒子はどこにでもあり、宇宙で最も多く存在するものの1つだ。

しかし、その質量はほとんどゼロで、電気的に中性であり、宇宙の他の何ものともほとんど相互作用しない。ニュートリノにとって、宇宙の大部分が構成する通常の物質は、まるで影のようなものだ。このため、ニュートリノは幽霊粒子として知られている。

私たちはニュートリノがどこから来るのかについては既に多くのことを知っている。これは、一般的な放射性崩壊によって生成される。私たちが地球で検出するニュートリノのほとんどは太陽の核反応による副産物だが、超新星爆発や人工的な核反応、あるいは宇宙線と原子との相互作用などによっても生成される。

しかし、南極の特別な観測所では、実に奇妙なものが発見された。

ニュートリノは通常の物質とはあまり相互作用しないが、たまに相互作用することがあります。ニュートリノが水の分子と相互作用すると、非常に小さな閃光を放つことがある。

アイスキューブ・ニュートリノ観測所は、南極の氷の奥深くに検出器を埋め込んでおり、この閃光を検出することができる。これらの検出器によって、ニュートリノのエネルギーが明らかになっている。

2012年、アイスキューブは、これまで見たこともないような2つのニュートリノを検出した。そのエネルギーはペタエレクトロンボルト（PeV）級で、超新星ニュートリノの1億倍ものエネルギーを持っていたのだ。そしてこれらの高エネルギーニュートリノは、発生源不明の銀河間空間から飛来したものだった。

2018年にその発生源のヒントを得た。ニュートリノは相互作用しないので、宇宙空間をほぼ一直線に移動する。そのため、科学者の巨大な国際共同研究は、高エネルギーニュートリノをブレーザーまで追跡することができたのだ。

それは活動的な超巨大ブラックホールによって動かされた巨大銀河の核で、光速近くまで加速された電離した物質のジェットが直接地球を指すような角度になっている。

ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者フランシス・ハルゼン博士は当時、「ブレーザーが宇宙線の発生源である可能性は低いというのが天体物理学界の一般的な見解であったのに、ここに来てそうなっているのは興味深いことです」と語っている。

それでも、ブレーザーと高エネルギーニュートリノとの関連については、いくつかの疑問が残っていた。そこでブソン氏率いる科学者チームは、研究を続けた。

彼らはアイスキューブ・ニュートリノ観測所から7年分の全天ニュートリノデータを取得し、それをブレーザーと確認された、あるいはその可能性が高い3,561個の天体のカタログと丹念に比較した。

彼らはこれらのカタログの位置のクロスマッチングを行い、高エネルギーニュートリノが空中のブレイザーの位置に決定的に結びつくかどうかを決定しようとしたのだ。

「このデータで、我々はニュートリノの方向と一致するブレーザーが偶然そこにあるのではないことを証明しなければなりませんでした。」とブソン氏は語る。

チームの分析によると、ランダムに発生する確率は、0.0000006だ。これは、少なくともいくつかのブレーザーが高エネルギーニュートリノを生成できることを示唆しており、ひいては別の問題の解決につながる。高エネルギー宇宙線-光速に近いスピードで宇宙を駆け巡る陽子や原子核-の起源もまた大きな謎である。

ブソン氏によれば、高エネルギーニュートリノは、宇宙線が加速される過程でのみ生成される。これは、推論ではあるが、ブレーザーと宇宙線の加速を結びつけることができるようになったことを意味する、と研究チームは述べている。

これらの天体と宇宙線との関係の発見は、高エネルギー天体物理学の “ロゼッタストーン”になるかもしれない。

ここからは、さらなる探求を保証するいくつかの道がある。一つは、あるブレーザーが効率的な粒子加速器である一方で、他のブレーザーがそうでない理由を解明しようとすることである。