天文学者は南極が大好きですが、なぜでしょうか?

南極では、世界一高いビルであるブルジュ・ハリファを小さく見せる科学実験が行われています。アイスキューブと呼ばれるこの実験は、南極の氷の 2,500 メートル下に建てられています。その目的は、宇宙からやってくる最も捕らえにくい粒子、ニュートリノを捕らえることです。

南極大陸は到達するのが非常に難しいにもかかわらず、天文学者たちはそこを愛しています。アイスキューブがそこにあるだけでなく、電波望遠鏡も作られ、中性子を数えるための監視ステーションも設置されています。これほど遠く離れた場所が宇宙科学にとってこれほど魅力的で、それだけの苦労をする価値があるのはなぜでしょうか。

極地は地球上でもユニークな場所です。低緯度に住む私たちが慣れているよりも夜がずっと長く、オーロラが最も明るく輝きます。(氷に覆われ、文明がほとんど存在しないという事実は言うまでもありません。)

天文学にとって、文明がないことは一般的にプラスだと考えられています。人間の居住地や電気から離れるほど、近くの明るい街の明かりによる光害が少なくなります。地球上の多くの場所がこの基準を満たしています。たとえば、多くの望遠鏡が設置されているチリのアタカマ砂漠の高原などです。

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しかし、南極は、別の奇妙な理由で天文学者にとってのホットスポットです。そこには、宇宙からの別の奇妙な粒子、中性子とニュートリノが見られるからです。中性子は、原子の構成要素の 1 つである陽子の中性対極です。ニュートリノは、ほとんど何とも相互作用しない超軽量の粒子です。ニュートリノは非常に巧妙で、毎秒 100 兆個が体内を通過していますが、気付くことはありません。

中性子とニュートリノはどちらも宇宙線、つまり地球に衝突する前に光速で宇宙を飛ぶ原子核に関係している。「宇宙の宇宙線は星の光とほぼ同じエネルギーを持っているので、宇宙線を理解しないことは、ある意味では星の光を理解しないことと同じ規模の問題です」とミシガン州立大学の天文学者ネイサン・ホワイトホーン氏は説明する。

宇宙線が大気圏に衝突すると、他の原子と相互作用し、中性子やニュートリノなどの高エネルギー粒子からなるいわゆる「空気シャワー」を生成します。宇宙では、深宇宙でもニュートリノが生成されます。これは、空気シャワーで生成される大気ニュートリノと区別するために天体ニュートリノと呼ばれています。

超新星爆発や太陽風などは、地球に中性子を降らせるほどのエネルギーを持つ宇宙線を作り出すことができる。しかし、「ニュートリノで観測されるより高いエネルギーについては、まったくわかりません」とホワイトホーン氏は言う。「しかし、それはおそらく超大質量ブラックホールへの降着と関係があるでしょう。」

南極が中性子観測の重要な場所であるのには理由があり、ニュートリノ観測に非常に適しているのには、まったく別の理由があります。中性子にとって、「極地は、オーロラが見られる場所と基本的に同じ理由で素晴らしいのです。磁極に近いため、地球の磁場は赤道のように宇宙線を偏向させません」とホワイトホーン氏は説明します。基本的に、地球の磁場のこの特別な場所では、宇宙線をより直接的に観察できます。

一方、ニュートリノの場合、中性子は非常に滑りやすいため、検出器には巨大な領域が必要です。また、検出器がニュートリノが最終的に何かと相互作用したときに放出される小さな光を検出できるように、材料は可能な限り透明である必要があります。

もし人間ほどの大きさの検出器を持っていたら、ニュートリノ 1 個を観測するのに 100 年ほど待たなければなりません。しかし、非常に大量の物質、たとえば 10 億トンの氷があれば、科学研究を行うことができます。「奇妙なことに、極地の氷冠の底は、ニュートリノを見つけるのにかなり便利な場所です」とホワイトホーン氏は言います。

中性子モニターはもっと小型で、実際に北極にいくつか設置されている。しかし北極は、ハイテクモニターを備えた安定した 10 億トンの氷の容器を作るにはあまりにも不安定だ。「北極は氷の量が変動するので、さらに難しい」とジョージア工科大学の天体物理学者ブランドン・プリースは説明する。「南極の下には岩盤があり、それが IceCube 機器の堅固な土台となっている」。この岩盤があるからこそ、南極には南極望遠鏡がある。この電波観測所は、ブラックホールの初めての写真撮影にも貢献した。

さて、南極について考えるとき、そこにはペンギン以外にもたくさんの生き物がいることを思い出すでしょう。実はそこには、宇宙の研究を手助けしてくれる、他に類を見ないニュートリノ狩りマシンがあるのです。