国際的な天文学者チームが、これまでに観測されたものの中で最も強力なエネルギーを持つ2つのガンマ線バーストを検出しました。ガンマ線バーストは宇宙で知られている最も強力な爆発ですが、今回の最新の観測結果は、私たちがその真の潜在能力を著しく過小評価していたことを示唆しています。
本日Nature誌に掲載された3本の論文は、2つの新たなガンマ線バースト（GRB 190114CとGRB 180720B）について記述しています。どちらも、GRB現象として記録された中で最もエネルギーの高い光子を放出しました。前例のない観測は、これらの謎に満ちた宇宙現象とその背後にあるメカニズムに、文字通り新たな光を投げかけています。
ガンマ線バーストは、巨大な恒星がブラックホールに崩壊し、超新星爆発を引き起こす際に発生すると考えられています。この爆発によって、強力で集中したジェットが発生し、光速の99.99%の速度で物質を宇宙空間に放出します。ジェット内の急速に加速する粒子は、磁場や放射線との複雑な相互作用を通じてガンマ線を生成します。発生したガンマ線は星間空間を移動し続け、その一部は最終的に地球に到達します。ガンマ線が地球の大気圏に接触すると、粒子カスケードが引き起こされ、チェレンコフ光と呼ばれる現象が発生します。この現象は、特殊な望遠鏡で検出できます。
天文学者たちは50年以上にわたってGRBを研究してきたが、ガンマ線の発生メカニズムや、ブラックホールから超高速で物質が放出される際に生じる物理現象など、まだ解明すべきことは多く残されていると、ウォーリック大学の天文学教授で、今回の研究論文の共著者でもあるアンドリュー・レバン氏は述べている。新たに検出されたGRBは、前例のないエネルギーを有しており、間違いなく研究の助けとなるだろう。
「これらの新たな観測は、ガンマ線を観測できるエネルギー範囲を広げ、これまで観測できなかった放射の新たな成分を明らかにするものです」と、レヴァン氏はギズモードへのメールで述べています。「これは、望遠鏡でこの種の光を検出できる技術の素晴らしい実証です。そして何よりも重要なのは、自然界の最も過酷な条件における物理学を理解するための新たな方法を提供することです。」
実際、これらの観測は、非常に優れた技術なしには不可能だったでしょう。新たな論文で説明されているガンマ線バーストのエネルギーは、大気への影響を観測することで測定されました。ガンマ線が上空に突入すると、大量の粒子が吹き飛ばされ、一種の空気シャワーが発生します。相対論的な速度で移動するこれらのシャワーは、チェレンコフ光と呼ばれる検出可能な青みがかった輝きを生み出します。これは、まさにチェレンコフ望遠鏡によって検出可能です。
今回のケースでは、これらの望遠鏡はナミビアの高エネルギー立体視システム（HESS）とカナリア諸島の主要大気ガンマ線撮像チェレンコフ（MAGIC）で、どちらもマックス・プランク協会が運用しています。これまでも衛星によるチェレンコフ光の観測は行われてきましたが、これらの機器は光量が弱いため、超高エネルギー現象を検出できるほどの感度を持っていませんでした。
これらの高エネルギーイベントの最初のもの、GRB 180720Bは2018年7月20日に発生し、マックス・プランク研究所、ドイツ電子シンクロトロン（DESY）、国際電波天文学研究センター（ICRAR）、その他複数の機関の天文学者らが主導した論文で説明されています。2番目のイベント、GRB 190114Cは2019年1月14日に発生し、マックス・プランク物理学研究所のラズミック・ミルゾヤンが主導した2つの新しい論文（こちらとこちら）で説明されています。この研究には世界中から300人以上の科学者が参加しました。
「これらのバーストで注目すべき点は、放出されるエネルギーの総量ではなく、個々の光子から得られるエネルギーです」とレヴァン氏は説明する。「光は光子と呼ばれる小さな粒子でできており、それぞれの光子がエネルギーを帯びています。私たちは通常、そのエネルギーを電子ボルトという単位で測定します。これは、電子1個が1ボルトを移動するときに得られるエネルギーです。」
私たちの目に見える周囲の光子は通常、約1電子ボルトのエネルギーを持っていますが、MAGICによって測定されたGRB 190114Cの光子は1テラ電子ボルト（TeV）以上を運んでおり、これは私たちの目に見えるエネルギーの1兆倍に相当します、とレヴァン氏は説明します。ちなみに、2013年に観測された記録的なGRBは、940億電子ボルト、つまり0.094 TeVで測定されました。
「隣にビル・ゲイツが立っているのに、10セントしか持っていないようなものです」と彼は言った。「光子がこれほどのエネルギーを持っているなら、当然ながら様々なことが可能になります。1000億ドルあれば10セントと全く違う人生を送ることができるのと同じです。つまり、この非常にエネルギーの高い光は、まさに宇宙への新たな窓を開いてくれるのです。」
MAGICが収集したデータによると、GRB 190114Cのエネルギーは2000億～1兆電子ボルト（0.2～1テラ電子ボルト）でした。これはこれまでに観測されたGRBの中で最強のものです。支援観測所による観測結果によると、このGRBは地球から約40億光年離れています。HESSによる以前のGRB 180720Bの測定では、エネルギーは1000億～4400億電子ボルト（0.1～0.44テラ電子ボルト）で、地球から60億光年離れていると推定されています。
「今回の観測で最も驚いたのは、10年以上の努力の末、ついにこれほどの高エネルギー放射を観測できたことです」とレバン氏は述べた。この2つのイベントに加え、昨年夏にはもう一つの大きなガンマ線バーストが記録されたが、その詳細はまだ公表されていないとレバン氏は述べた。「これは、この種の放射が非常に稀なのではなく、ガンマ線バーストではごく一般的に見られることを示唆しています。もしそうだとすれば、この並外れてエネルギーの高い光を発見するのに、これほど長い期間、条件が整うのを待たなければならなかったというのは、実に驚くべきことです」とレバン氏はギズモードに語った。
新たな論文は、新たなGRBの特徴に加え、高エネルギー光子の発生メカニズムについても説明を加えています。高エネルギー光子は、逆コンプトン散乱と呼ばれる二段階の過程によって生成されると推定されています。まず、急速に加速する粒子が爆発内部の強力な磁場の中で跳ね回り、シンクロトロン放射（地球上のシンクロトロンやその他の粒子加速器で生成されるのと同じ種類の放射ですが、比較はここまでです）が発生します。次に、第二段階では、シンクロトロン放射は自身を生成した高速粒子と衝突し、そのエネルギーを地球の大気圏で記録された極限レベルまで高めます。
GRBは衛星によってほぼ毎日記録されていますが、宇宙論的な観点から見ると非常に稀な現象です。これはありがたいことです。これらの現象の威力を理解するために、「典型的なバーストは、太陽が100億年の寿命で放出するエネルギーと同量のエネルギーを数秒で放出します」と、国際電波天文学研究センター（ICRA）カーティン大学ノードの研究共著者である天文学者ジェマ・アンダーソン氏はプレスリリースで説明しています。もしガンマ線バーストが地球の近くで発生し、それが直接地球に焦点を合わせた場合、大量絶滅を引き起こす可能性があります。
レヴァン氏がギズモードに説明したように、そのような出来事は地球の太古の昔に実際に起こった可能性がある。
「地質学的記録に残る大量絶滅イベントの一つ、オルドビス紀の絶滅は、ガンマ線バーストから予想される現象と一致しています」とレヴァン氏は述べた。「もしこのイベントが地球に十分近い場所で発生し、現在の私たちに影響を及ぼすとしたら、ある種の逆説的な影響が生じるでしょう。」
まず、ガンマ線によってオゾン層が破壊され、大量の紫外線が地表に到達するとレヴァン氏は述べた。一方、可視光線は、大気中の主要分子の破壊と亜酸化窒素の存在によって遮断され、太陽光が遮られて氷河期が引き起こされる可能性が高い。この大気への二重の悪影響は…悪影響となるだろう。
「これは4億4000万年前のオルドビス紀大量絶滅で観測されたものと一致しますが、唯一の説明ではありません」とレヴァン氏は述べた。「しかし、ガンマ線バーストが私たちに影響を与えるには、そのジェットがまっすぐ私たちに向かっているほど、かなり近い距離で発生する必要があります。観測結果から、天の川銀河ではガンマ線バーストは実際には非常にまれであることが示唆されています。」
同氏はさらにこう付け加えた。「私たちは、10億年かそれ以下の頻度で影響を受けるとは実際には考えていません。その可能性を心配して眠れない理由はありません。」
10億年に一度くらいかな？その確率ならいいな。
