アイスキューブ・ニュートリノ観測所、4700万光年彼方の活動銀河から流れ出るニュートリノを検出

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アイスキューブ・ニュートリノ観測所を利用する研究者が、数百万光年離れた活動銀河のエネルギー核から放出されるニュートリノを検出した。ニュートリノを検出することは難しく、銀河系から発生したニュートリノを発見したことは重要な進展だ。この発見は何を意味するのだろうか?

ニュートリノは奇妙な粒子だ。長い間、科学者はこの素粒子には質量がないと考えていた。しかし現在では、ニュートリノには質量があり、その質量は非常に小さいため、私たちや他の物質を通り抜けることが分かっている。また、ニュートリノは電荷をもたないので、電磁場を通り抜けることができる。

質量も電荷もほとんどないものを検出するのは難しいので、検出器は廃坑の奥深くのような奇妙な場所に作られる。そのような隔離された環境でのみ、科学者たちは地球を通過するときに他の物質と相互作用する稀なニュートリノを検出することができるのだ。

アイスキューブ・ニュートリノ観測所(ICNO)は、南極の氷の奥深くに埋まっているユニークな施設だ。ICNOは、南極の氷に沈んだ検出器のストリングで構成されている。86本のセンサーストリングがあり、各ストリングには60個のモジュールがある。氷の中に1,450〜2,450mの深さで、熱水で穴を開け、ストリングを沈めていく。高密度の氷は、ニュートリノがその速度を維持したまま、光を光速以下に減速させる。これは、ニュートリノが非常に高エネルギーであるときにのみ起こる現象だ。そのような条件下では、ICNOが検出するチェレンコフ放射を放出する。

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アイスキューブ・ニュートリノ観測所は、南極の氷の中に深く掘られた検出器の列からなる (Credit: University of Adelaide.)

ICNOに所属する科学者たちは、何百万光年も離れた活動的な銀河のエネルギー核から放出されるニュートリノを検出した。なぜこれが重要なのか?なぜなら、これまでに検出されたニュートリノのほとんどすべては太陽から来たものだからだ

その銀河はM77で、NGC1068としても知られている。くじら座から約4700万光年離れたところにある渦巻き銀河だ。

科学誌「Science」に掲載された新しい論文で、この発見が紹介さた。その論文は、”Evidence for neutrino emission from the near active galaxy NGC 1068“となる。この論文を作成したのは、14カ国350人以上からなる国際グループ「IceCube Collaboration」だ。

ニュートリノは、素粒子物理学において様々な理由で重要な役割を担っている。しかし、ニュートリノの重要な特徴は、他の物質とほとんど相互作用しないことである。そのため、地球上でニュートリノを検出した場合、その発生源が数百光年以上離れていても、物質や電磁場との相互作用によってほとんど変化しないのだ。

太陽以外の天体からのニュートリノを検出することは困難だ。しかし、それらを研究することは、特に同じ発生源から複数のニュートリノを検出した場合、宇宙に関するいくつかの重要な疑問に答えることができる可能性がある。

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南極にあるアイスキューブ・ニュートリノ観測所で、穴に降ろされる検出器の列の1つ。 (Credit: WISC/IceCube Collaboration.)

「1個のニュートリノで1つの天体を特定することができます。アイスキューブはNGC1068からテラ電子ボルトのエネルギーのニュートリノを80個ほど蓄積しました。これはまだ我々の全ての疑問に答えるには十分ではありませんが、ニュートリノ天文学の実現に向けた次の大きな一歩であることは間違いありません。」とウィスコンシン大学マディソン校の物理学教授でIceCube Collaborationの主任研究者であるFrancis Halzen(フランシス・ハルゼン)氏は語る。

ニュートリノ天文学は、これまでとは違った方法で天体を研究するものです。通常、私たちは、電波からガンマ線まで、電磁波を使って天体を観測します。しかし、光子は遠くの天体から私たちの望遠鏡に届くまでに、物質やエネルギーと相互作用します。このような相互作用は、光子の発生源や、検出器と発生源の間にあるものについて多くのことを教えてくれるため、有用なのです。

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ニュートリノが南極の透明な氷の中の分子と反応すると、二次粒子が生成され、アイスキューブの検出器を通過するときに青い光の痕跡を残す。(Credit: Nicolle R. Fuller, IceCube/NSF)

しかし、ニュートリノはほとんど相互作用しないので、天体物理学者は電磁望遠鏡では観測できないもの、例えば太陽の内部を観測することができるのです。この場合は、活動的な銀河のようなものです。

NGC1068は天の川銀河と似ています。棒渦巻銀河で、天の川銀河と同じく中心に超巨大ブラックホール(SMBH)を持っています。SMBHが活発にガスや塵を取り込むと、エネルギージェットを放出し、活動銀河核と呼ばれるようになります。

AGNを取り巻く環境は複雑です。ニュートリノ天文学は、このような複雑な天体を研究する方法の一つです。

「これらの天体のブラックホール環境の最近のモデルは、ガス、塵、放射線が、そうでなければニュートリノに付随するガンマ線をブロックするはずだと示唆しています。NGC 1068のコアからのこのニュートリノの検出は、超巨大ブラックホール周辺の環境についての我々の理解を深めるでしょう。」と、ミシガン州立大学の博士研究員でこの論文の主要分析者の一人であるHans Niederhausen(ハンス・ニーダーハウゼン)氏は言う。

アデレード大学物理学部物理学科の准教授で、国際的なアイスキューブ共同研究のメンバーであるGary Hill(ゲイリー・ヒル)氏は、「<NGC 1968>が放出するニュートリノを観測すると、他の高エネルギー放出がそこから逃げられないため、これまで不可能だった銀河の内部で起きている極度の粒子加速と生成過程についてより詳しく知ることができるようになるでしょう」と述べている。

天体物理学者や天文学者は、NGC 1068について非常によく知っています。最もよく研究されている銀河の一つで、裏庭の望遠鏡でも見ることができます。(Google Scholarで検索すると、NGC 1068で14,000以上の結果が得られる。)このような馴染みの深さが、今回のニュートリノ検出のような新しい展開を科学者が理解するのに役立っている。

「この銀河はすでに天文学者にとって非常によく研究されている天体で、ニュートリノはこの銀河を全く違った方法で見ることを可能にしてくれるでしょう。とミュンヘン工科大学の博士研究員で、この論文の主要な解析者の一人であるTheo Glauch(テオ・グラウフ)氏は述べた。Glauch氏によれば、NGC1068はニュートリノ天文学の “標準光源”になる可能性があるとのことだ。天文学の用語では、標準光源は既知の光度を持つ天体で、その距離が正確に決定できることを意味する。

ニュートリノ天文学は、近い将来、一歩前進する準備が整っている。アイスキューブ・ニュートリノ観測所の拡張計画があり、“IceCube-Gen2”と呼ばれている。これは、オリジナルのアイス・キューブ観測所の次世代拡張計画だ。この設計では、オリジナルのシステムに光学および電波観測装置を追加し、マルチメッセンジャー観測施設とする予定だ。この新しい観測装置は、ニュートリノの検出率を1桁上げるとともに、ニュートリノ点源に対する感度を5倍向上させる予定とのことだ。

「IceCube-Gen2はIceCubeによる2つの発見を基礎にしています。一つは高エネルギーでの大きな宇宙ニュートリノの存在で、もう一つは氷が非常に透明であることです。設計を最適化することによって、我々は非常によく似た装置で検出器を1桁スケールアップすることができます。」とウィスコンシン大学マディソン校のIceCube-Gen2コーディネーターであるAlbrecht Karle(アルブレヒト・カーレ)氏は言う。

「不明瞭な宇宙の解明は始まったばかりで、ニュートリノは天文学における発見の新しい時代をリードすることになるでしょう。」と、ミュンヘン工科大学の物理学教授で、この論文の主要分析者の一人であるElisa Resconi(エリサ・レスコーニ)氏は述べている。

研究の要旨

銀河系にある超巨大ブラックホールは、宇宙塵に覆われ、活動銀河NGC1068を動かしている。物質とほとんど反応しないニュートリノは、この銀河の活動的な核について情報を与えてくれるかもしれない。我々は、2011年から2020年の間にアイスキューブ・ニュートリノ観測所で記録されたデータを用いて、天体からのニュートリノ放射を探索した。110個の既知のガンマ線源の位置を個別に検索し、大気や宇宙のバックグラウンドを超えてニュートリノが検出されることを確認した。その結果、NGC1068はテラ電子ボルトのエネルギーで79+22-20個のニュートリノを過剰に検出し、その全体的な有意性は4.2σで、これらは活動銀河に関連していると解釈された。NGC 1068から測定した高エネルギーニュートリノのフラックスは、この天体からのテラ電子ボルトのガンマ線の放出の上限値よりも1桁以上高い値だ。

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