何十億光年も離れた銀河系という、いまだかつてないほど遠方からの強力な電波発信源を突き止める事に成功

毎日毎晩、何十万という強烈で短い放射線の閃光が、空一面に突然明滅する。これらの “高速電波バースト”は肉眼では見えないが、電波望遠鏡で見ると、数千分の1秒の間、空中の他のすべてのものをほとんど凌駕している。

このようなバーストが最初に発見されたのは2006年のことで、そのほとんどが遠方の銀河から発生していることが判明している。ほとんどのバーストは、電波望遠鏡の視野の外で発生し、気づかれることなく過ぎ去り、二度と発生することはない。

『Science』誌に掲載された新しい研究では、これまで検出された中で最も遠い高速電波バーストが発見された。

チャンスをつかむ

天文学者が高速電波バーストに魅了される理由は2つある。

ひとつは、その原因が未知であること。私たちの銀河系にあるパルサーと呼ばれる回転中性子星である。

第二の理由は、バーストが宇宙の他の側面を研究するための新しいツールを提供してくれるからである。

高速電波バーストは、銀河と銀河の間の空間に浮かぶ物質の「宇宙の網」を研究することができる。この物質は非常に高温で拡散したガスであり、ほとんど目に見えないが、高速電波バーストが通過するときに微妙に減速する。(これは普通の物質で、星や惑星や人間を構成するのと同じ種類のものであり、宇宙全体に潜む目に見えない「暗黒物質」ではない）。

バーストが減速する程度は、バーストが移動した距離と相関している。

2020年、高速電波バーストの分析により、宇宙の網の目には、天文学者がこれまで「欠落している」と考えていた宇宙の通常の物質の半分以上が実際に存在していることが明らかになった。

file 20231003 21 e3z59k — FRB20220610Aの発見と局在決定に使われた電波望遠鏡、オーストラリア正方キロメートル・アレイ・パスファインダー（ASKAP） (CSIRO)

極限を求めて

より遠くの、より極端な高速電波バーストは、宇宙についてのさらなる秘密を明らかにすることが期待されるため、天文学者たちは探索を続けている。私は、オーストラリアSKAパスファインダー（ASKAP）電波望遠鏡を使ったチームを率いている。

2022年6月6日、私たちのチームは、非常に明るくゆっくりとしたバースト（正式名称は「FRB 20220610A」）を検出し、ピンポイントで特定した。最初の計算では、これまで発見された中で最も遠方にある可能性が示唆された。

しかし、このバーストが思ったよりも近くにある可能性、あるいは、光学望遠鏡では見えないほど暗い遠くの銀河からのものである可能性もあった。

そこで私たちは、世界で最も強力な光学天文台のひとつである、チリの超大型望遠鏡（VLT）にその母銀河の探索を依頼した。この天文台の4つの望遠鏡には、暗い銀河を識別し、その性質を詳しく調べることができる最先端のカメラと分光器が搭載されている。

ASKAPによってバーストの発生源として特定された位置では、最初の画像で遠くの銀河のようなかすかな光のにじみが見つかった。銀河からの光のスペクトルを分析したところ、強く「赤方偏移」していることがわかった。つまり、バーストからの放出は、膨張する宇宙を旅する間に波長が2倍になったということである。

赤方偏移の値は1強であり、このバーストが80億年以上前、つまり宇宙が現在の半分以下の年齢のときに放出されたことを示している。これにより、FRB 20220610Aが最も遠い高速電波バーストの記録を更新したことが確認された。

宇宙の限界に挑む

オリンピックの選手のように、天文学者は（私も含めて）記録更新を楽しみます。しかし、個人的な満足感だけでなく、この検出は高速電波バーストに関する2つの基本的な疑問を探るためにも使うことができる。

第一に、このバーストは、場所を確実に特定できたものの中で最も大きなエネルギーを持っている。これは我々の太陽が30年間に出すエネルギーよりも大きく、基本的な物理的限界と考えられるものに近づいている。

1つの高速電波バーストが伝えることができるエネルギー量の上限は、量子力学的効果によって決定される可能性がある。1930年にイギリスの物理学者ポール・ディラックが予言した “仮想”電子と陽電子の海からの抵抗に、ある時点でバースト電波の光子の波がぶつかる可能性がある。

我々の発見はまた、遠い宇宙の組成を研究するための高速電波バーストの可能性を示している。時間をさかのぼると、銀河の構造が大きく変化していることがわかる。遠方銀河のバーストによって、銀河の詳細な構造を調べることができるかもしれない。

宇宙を深く掘り下げる

私たちは現在、遠方宇宙にエネルギッシュなバーストが存在することを知っている。新しい望遠鏡やアップグレードされた望遠鏡が高速電波バーストの探索に加わるにつれて、私たちはさらに多くのバーストがそのホスト銀河まで追跡されるのを見ることができるだろう。

私たちは現在、ASKAPのための新しい高速電波バースト探査システムを構築中で、これによりASKAPの感度が5倍向上し、私たちの研究のフロンティアをさらに宇宙の彼方へと押し広げることができるようになります。

そして将来的には、スクウェア・キロメートル・アレイ（SKA）のような超高感度電波望遠鏡が、さらに遠くのバーストを検出できるようになるだろう。これらの検出は、宇宙の構造をマッピングし、現代の天文学の謎の物語を解決するために使用される。

本記事は、Ryan Shannon氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「We traced a powerful radio signal to the most distant source yet – a galaxy billions of lightyears away」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。