事実をはっきりさせよう。光の速度を破るものは何もない

2018年、ハッブル宇宙望遠鏡の画像で2つの中性子星の衝突跡を調査していた天文学者たちは、奇妙な現象に気づいた。それは、合体部から地球の方向へ光速の7倍の速さで噴出する、明るい高エネルギーイオンの流れだった。

これはおかしいと思われたため、研究チームは別の電波望遠鏡による観測結果を使って再計算した。その観測では、流れは光速のわずか4倍の速度で流れ去っていた。

それでもまだ、それは正しくないように思えた。宇宙には光速より速く動くものは何もない。実はそれは錯覚だった、と今月初めにネイチャー誌に掲載された研究が説明した。

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宇宙の粒子が光より速く移動しているように見える現象は、超光速運動と呼ばれます。この言葉は、この錯覚にぴったりです。「光より速い」という意味ですが、実際には、こちらに向かってくる物体が実際の速度よりはるかに速く見えるというトリックを表しています。宇宙には、光より速く移動しているように見える高エネルギーの流れがあり、今日、天文学者はその数をますます増やしています。

「それらは空をものすごい速さで動いているように見えるが、実際にはこちらに向かって動いていると同時に空を横切って動いているだけだ」と、ハッブル宇宙望遠鏡と広範囲に協力し、ネイチャー誌の論文執筆にも協力したメリーランド州宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者ジェイ・アンダーソン氏は言う。

ジェットの実際の速度を知るために、アンダーソン氏と共同研究者はハッブル宇宙望遠鏡と電波望遠鏡の観測結果を比較した。最終的に、ジェットは光速の約99.95パーセントの速度で地球に向かっていると推定された。これは光速に非常に近いが、光速より速いわけではない。

実際、これまでの私たちの知識では、地球上または地球外において、光速より速く移動できるものはありません。これは、1 世紀前にアルバート アインシュタインが論文にまとめた特殊相対性理論の法則によって何度も証明されてきました。時速約 6 億 7000 万マイルで移動する光は、宇宙の究極の速度制限です。それだけでなく、特殊相対性理論では、誰が、または何が観測しているかに関係なく、光の速度は一定であるとされています。

しかし、特殊相対性理論は、物体が光速に非常に近い速度で移動することを制限しません (宇宙線や太陽フレアの粒子などがその例です)。そこで超光速運動が作用します。何かがあなたに向かって移動すると、その光と像があなたに届く距離が短くなります。日常生活では、これはあまり問題になりません。上空を飛ぶ飛行機のように、一見速い物体でさえ、光速に近い速度で移動することはありません。

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しかし、物体が時速数億マイルという高速で正しい方向に動いているとき、物体とそれを知覚するもの（人間であれカメラのレンズであれ）の間の距離は急速に縮まります。これにより、物体が実際よりも速く近づいているという錯覚が生じます。私たちの目も望遠鏡もその違いを区別できないため、天文学者は画像で収集したデータから物体の実際の速度を計算しなければなりません。

ネイチャー誌に発表されたこの新しい論文の研究者たちは、超光速運動に取り組んだ最初の研究者ではない。実際、彼らは1世紀以上遅れていた。1901年、夜空を観測していた天文学者たちは、ペルセウス座の方向に新星をちらりと見た。それは、近くの巨大ガス惑星の外殻を飲み込んだ白色矮星の残骸で、肉眼で見えるほど明るく一瞬光った。天文学者たちは、新星から猛スピードで膨らむ泡を捉えた。しかし、当時は一般相対性理論がなかったため、この出来事はすぐに記憶から消えていった。

この現象は 1970 年代から 1980 年代にかけて再び注目を集めるようになった。その頃、天文学者は宇宙の遠く離れた場所で、物質のジェットを噴出するクエーサーや活動銀河など、あらゆる種類の奇妙な高エネルギー物体を発見していた。ほとんどの場合、これらの物体は、ほぼ光速で移動する高エネルギージェットを噴出するブラックホールによって動かされていた。ジェットの発生源であるブラックホールの質量と強さによって、ジェットは地球に到達するまで数千、数十万、あるいは数百万光年も伸びる可能性がある。

同じ頃、電波を研究する科学者たちは、警戒を強めるほどの偽のスピードスターを目撃し始めた。科学者たちは、遠く離れた銀河から、光速の約10倍の速度で飛んでいるように見えるジェット機を発見した。その観測結果は天文学者の間でかなりの警戒を呼び起こしたが、そのメカニズムは当時すでに十分に解明されていた。

それ以来、数十年にわたって超光速運動の観測は蓄積されてきました。天文学者は望遠鏡を通して、特にハッブルやジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のように宇宙を漂うジェットの数がますます増えているのを目にしています。光が地球の大気圏を通過する必要がないため、その撮影解像度ははるかに高くなります。これにより、チームはより遠くにあるジェット（古代の遠い銀河など）をより多く見つけることができ、より近くのジェットをより詳細に観察できます。「ハッブルの画像では、地上の画像よりも物体がはるかによく見えます」とアンダーソンは言います。

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たとえば、遠方の銀河 M87 を考えてみましょう。この銀河の中心にある巨大なブラックホールは、光速の 4 倍から 6 倍の速度でジェットを噴射しているようです。1990 年代までに、ハッブルは実際にエネルギーの流れを覗き込み、部分によって速度が異なることを明らかにしました。「ジェット内の特徴が実際に動いているのがわかり、その位置を測定することができました」とアンダーソンは説明します。

天文学者がこのような猛烈なジェットに興味を持つのには、特に今、十分な理由がある。ネイチャー誌の研究で中性子星が衝突したケースでは、衝突によってガンマ線バーストが発生した。ガンマ線バーストは、まだよくわかっていない高エネルギー爆発の一種である。この出来事は重力波の嵐も巻き起こし、研究者が現在捉えて観測できる時空のさざ波を引き起こした。しかし、宇宙を飛び交う物質に関する奇妙な新しい物理法則が発見されるまでは、光速が絶対的な限界のままである。