銀河が集まって銀河団を作り、その銀河団はフィラメントで結ばれ、空洞で隔てられている。これらの銀河団やフィラメントには、ガスや銀河のような通常の物質だけでなく、暗黒物質が含まれている。

これを「宇宙の網（Cosmic Web)」と呼び、光学望遠鏡による大規模なサーベイで銀河の位置や密度をマッピングすることで確認することが可能だ。

私たちは、宇宙の網には磁場も浸透していると考えている。磁場は、運動するエネルギー粒子によって作られ、その粒子の動きを誘導するのだ。私たちの理論では、重力によってフィラメントが引き寄せられると、衝撃波が発生して磁場が強くなり、電波望遠鏡で見ることのできる輝きが生まれると予測している。

Science Advances誌に掲載された新しい研究では、この衝撃波が銀河団のペアとそれらをつなぐフィラメントの周りにあることを初めて観測した。

これまで、この電波衝撃波は、銀河団同士の衝突から直接観測されたものだけだった。しかし、私たちは、銀河の小さな集団の周辺や、宇宙のフィラメントにも存在すると考えている。

磁場がどの程度強いのか、どのように進化してきたのか、この宇宙の網の形成にどのような役割を果たしているのかなど、磁場に関する知識にはまだギャップがある。

この輝きを検出・研究することで、宇宙の大規模構造がどのように形成されてきたかを確認できるだけでなく、宇宙磁場やその意義についての疑問にも答えることが出来るのだ。

ノイズを掘り起こす

この電波の輝きは非常に微弱で、かつ広い範囲に広がっていることが予想されるため、直接検出するのは非常に困難だ。

さらに、銀河そのものはもっと明るいので、このような微弱な宇宙の信号を隠してしまうことがある。さらに難しいことに、私たちの望遠鏡から出るノイズは、通常、予想される電波の輝きの何倍も大きいのだ。

そのため、この電波衝撃波を直接観測するのではなく、「スタッキング」と呼ばれる手法で工夫する必要があったのだ。これは、1つ1つでは見えないほど暗い天体の画像を平均化することで、ノイズを減らすというか、ノイズの上にある平均的な信号を強調する方法だ。

では、どんな発見があったのだろうか？私たちは、宇宙空間で互いに近く、フィラメントでつながっている可能性が高い銀河団のペアを60万個以上発見した。そして、銀河団や銀河団と銀河団の間の領域（衝撃波の発生が予想される場所）からの電波信号がすべて加算されるように、銀河団の画像を並べた。

私たちは2021年に発表した論文で、西オーストラリアのMurchison Widefield ArrayとニューメキシコのOwens Valley Radio Observatory Long Wavelength Arrayという2つの電波望遠鏡からのデータを用いてこの方法を初めて使用した。これらは、ほぼ全天をカバーしているだけでなく、この信号がより明るくなると予想される低い電波周波数で動作するため、選ばれた。

最初のプロジェクトでは、クラスタのペアの間に輝きを発見するという、エキサイティングな発見をした。しかし、それは多くの銀河を含む多くの星団の平均であったため、その信号が銀河などの他の原因ではなく、宇宙磁場から来たものであると断言することは困難だった。

「衝撃的」な事実が発覚

通常、星団の磁場は乱流の影響でごちゃごちゃしている。しかし、この衝撃波によって磁場が強制的に整列されるため、星団が放つ電波の光は高い偏光を帯びているのだ。

私たちは、偏光した電波の地図でスタッキング実験を試してみることにした。これは、信号の原因となっているものを特定するのに役立つという利点がある。

通常の銀河からの信号は5％以下の偏光しかないのに対し、衝撃波からの信号は30％以上の偏光がある。

今回の研究では、プランク衛星と同様に、グローバル磁気イオン媒体サーベイの電波データを用いて、この実験を繰り返した。これらのサーベイは、ほぼ全天をカバーし、偏波と通常の電波マップを備えている。

クラスターペアを取り囲む偏光リングが非常に鮮明に検出された。これは、星団の中心が偏光していないことを意味しており、非常に乱流の多い環境であることから予想されることだ。

しかし、クラスターの端では、衝撃波によって磁場が整えられ、このような偏光のリングが見られるのだ。

また、銀河団と銀河団の間に、通常の銀河の光よりも偏光度が高い光があることが分かった。これは、フィラメントをつなぐ衝撃波からの光と解釈出来る。このような環境下でこのような発光が見つかったのは初めてだ。

私たちはこの結果を、電波放射の全信号だけでなく偏光信号も予測する、この種のものとしては初めての最新鋭の宇宙論的シミュレーションと比較した。私たちのデータは、これらのシミュレーションと非常によく一致し、これらを組み合わせることで、宇宙初期に残された磁場の信号を理解することが出来た。

Polarised Shockwaves – Composite Stacking from ICRAR on Vimeo.

将来的には、宇宙の歴史の中で異なる時期にこの検出を繰り返したいと考えている。このような宇宙磁場の起源はまだわかっていないが、このような観測が進めば、磁場がどこから来て、どのように進化してきたかを解明することが出来るだろう。

本記事は、氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Ancient megalodon super-predators could swallow a great white shark whole, new model reveals」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。