テレスコープアレイコラボレーションの科学者らは超高エネルギー宇宙線を検出した。これは、異様な宇宙現象とその起源に関する現在の理解に疑問を投げかける発見である。
本日、科学誌「サイエンス」に掲載された研究で、テレスコープ・アレイ・コラボレーション（Telescope Array Collaboration）は、約244エクサ電子ボルト（約40ジュール）のエネルギーレベルを示す超高エネルギー宇宙線（UHECR）の検出を報告しました。ユタ州の表面検出器アレイによって測定されたこの測定は、宇宙線として観測された中で最も高いエネルギーレベルの一つです。ちなみに、この観測されたエネルギーレベルは、最も強力な人工粒子加速器が生成できるエネルギーの約100万倍にも相当すると研究者らは述べています。
テレスコープアレイ計画は、米国、日本、韓国、ロシア、ベルギーの大学や研究機関が共同で実施するプロジェクトで、極めて高エネルギーの宇宙線によって引き起こされる「空気シャワー」を監視することを目的としています。肉眼では見えませんが、地球は銀河系内の局所的な発生源と遠く離れた銀河系外の領域から発生するこれらの宇宙線に絶えずさらされています。念のため申し上げますが、これらの宇宙線は心配する必要はありません。地球の大気と磁場は宇宙線から効果的に保護しており、人間や他の生命体に害を及ぼす可能性を大幅に低減しています。
ユタ州にあるテレスコープアレイは、700平方キロメートル（270平方マイル）に広がる507の検出局ネットワークを用いて、極めて稀な高エネルギー宇宙線を検出しています。これらの局は、宇宙線が大気圏に衝突して発生する二次粒子を捕捉し、広範囲にわたる大気シャワー（EAS）を生じさせます。このシステムには、荷電粒子が通過すると発光するプラスチックシンチレータと、EASのエネルギーを測定する蛍光検出器が含まれています。GPSタイミングとシミュレーションを用いて分析されたこれらの局からのデータは、宇宙線の発生頻度が低いにもかかわらず、そのエネルギー、質量、そして到来方向を特定するのに役立ちます。
実際、今回の研究で報告されているような超高エネルギー宇宙線（UHECR）は非常に稀であり、ブラックホールやガンマ線バーストといった宇宙で最もエネルギーの高いプロセスから発生すると考えられています。これらの宇宙線は1平方キロメートルあたり1世紀に1回未満という頻度でしか到達しないため、観測には大型の検出器が必要となります。そのため、2021年5月に発生したこの現象は、宇宙線研究にとって極めて重要な意味を持ちます。
2021年5月27日に検出されたこの銀河系外宇宙線の発生源は、その到来方向が既知の天体と一致していないため、依然として謎に包まれています。この宇宙線の到達経路は天の川銀河の円盤付近に位置しており、磁場（大規模な磁場であれ、恒星、超新星残骸、その他の天体によって生成される局所的な磁場であれ、銀河系全体に遍在する）を通過する際にわずかな偏差しか受けなかった可能性が高いことを示唆しています。研究者らによると、この宇宙線は到来地点からほぼ一直線に進んだ可能性が高いとのことです。
とはいえ、その発生源の方向は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）と一般的に関連付けされる既知の銀河や天体とは相関していません。むしろ、宇宙構造の空洞、つまり銀河が極めて少ない空洞領域から発生したようです。天文学オタクの皆さん、これは具体的には局部空洞、つまり局部銀河群と近隣の大規模構造フィラメントの間にある空洞のことです。この空洞内に記録されている銀河はごくわずかで、研究者たちは、これらの銀河がこれほど強力な宇宙線を放出できるとは考えていません。
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論文によると、宇宙線の予想外の軌道は、地球に近い磁場によって大きく方向を変えられた結果である可能性もあるし、銀河系外縁部にある未発見の天体から発生した可能性もある。あるいは、この異常現象は、このような高エネルギー粒子を支配する物理学に関する現在の理解に欠けている点を明らかにする可能性があると天文学者たちは推測している。
さらに調査を進めるため、研究者らは今回の事象を100エクサ電子ボルト（EeV）を超える他の超高エネルギー宇宙線（UHECR）の観測結果と比較し、等方的な分布を発見しました。これは、これらの宇宙線が密集することなく、宇宙のあらゆる方向から均等に到来しているように見えることを意味します。この等方的なパターンは、その起源の特定をさらに複雑にしています。
歴史的には、1991年に320 EeV粒子、1993年に213 EeV粒子、2001年に280 EeV粒子など、北半球で発生した高エネルギー宇宙線が検出されています。南半球では166 EeVを超える事象は記録されていません。これらの比較は、このような高エネルギー事象の分布と起源を理解する上で不可欠であり、今後の観測によって更なる知見が得られ、新たなパターンや発生源が明らかになることを期待しています。
この検出は宇宙線研究にとって重要ですが、これらの高エネルギー粒子の起源とメカニズムについては、答えよりも多くの疑問を提起しています。テレスコープアレイ実験による発見は、宇宙の謎に新たな視点を提供すると同時に、天体物理学における未知数の広大さを浮き彫りにしています。
続き：最高エネルギーの宇宙放射線は銀河系外の謎の源から来ている
