この遠い銀河は、おそらく大量の幽霊粒子を私たちに浴びせているのだろう

南極の地下深くには、アイスキューブと呼ばれる氷に覆われた配線の森がある。これは立方体ではない。アイスキューブは氷に数キロメートルの深さの穴を六角形に開けたもので、その穴に熱湯を注ぎ、電子部品を詰め込んでいる。その目的は、ニュートリノのちらつきを捉えることだ。ニュートリノは宇宙からやってきて、ほとんど痕跡を残さずに地球を通過する幽霊のような小さな粒子である。

4年前、アイスキューブは科学者たちが太陽系外のニュートリノ源の初めての手がかりを発見するのを助けました。そして今、アイスキューブの科学者たちは2度目となる、約4700万光年離れた銀河NGC 1068から発生する遠距離ニュートリノの泉を正確に特定しました。

11月3日にサイエンス誌に発表された彼らの研究結果は、さらなる確認が必要だ。しかし、もしこれらの観察結果が正しければ、天文学者がニュートリノが宇宙のどこで発生するかを理解するための重要な一歩となる。そして、興味深いことに、NGC 1068はアイスキューブの最初の容疑者とは非常に異なっている。

ニュートリノは小さな幻影です。ある推定によると、1 秒間に 100 兆個が体内を通過しますが、実質的には体内の原子と相互作用することはありません。陽子や電子などの荷電粒子とは異なり、ニュートリノは電磁気の引力や押し出しの影響を受けません。ニュートリノの質量は非常に小さいため、物理学者は長年、ニュートリノに質量はないと考えていました。

宇宙から観測されるニュートリノのほとんどは太陽から放出されるものだが、科学者たちは太陽系の外からやってくるさらに捉えにくい種類のニュートリノに特に興味を持っている。天文学者にとって、アイスキューブは一つの願いを叶えるものだ。研究者が遠く離れたニュートリノを観測できれば、通常は光が通らないガスや塵の雲を透視できるのだ。

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IceCube の使命は、太陽ニュートリノよりもはるかに大きなエネルギーを持って地球に到達するニュートリノを見つけることです。IceCube は南極にありますが、実際には北半球に衝突するニュートリノに焦点を当てています。IceCube の検出器は、ニュートリノが移動する方向を識別しようとします。IceCube が下向きの粒子を検出した場合、科学者は、地球の大気を絶えず攻撃している激しい宇宙放射線の雑音からそれを識別するのに苦労します。一方、IceCube が上向きの粒子を検出した場合、科学者は、その粒子が北から来て、氷で覆われた検出器に衝突する前に地球の大部分を通過したことがわかります。

「2013年に宇宙からやってくるニュートリノを発見しました」と、論文の著者でアイスキューブ共同研究チームの一員であるウィスコンシン大学マディソン校の物理学者フランシス・ハルゼン氏は言う。「それによって、ニュートリノがどこで発生するのかという疑問が浮上しました。」

ニュートリノを見つけること自体が困難ですが、その起源を見つけることはさらに困難です。ニュートリノの起源を特定するには、完了するまでに何年もかかる、骨の折れるデータ分析が必要です。

重要なのは、これがアイスキューブの最初の特定ではないということだ。2018年、科学者たちはアイスキューブのデータと従来の望遠鏡の観測結果を比較し、50億光年以上離れたニュートリノ源の可能性がある天体TXS 0506+56を特定した。TXS 0506+56は、天文学者がブレーザーと呼ぶものの一例だ。ブレーザーとは、中心のブラックホールが地球の方向にジェットを噴出する遠方の高エネルギー銀河のことである。音が大きく、明るく、まさに天文学者がニュートリノを生成したと考えていた天体である。

しかし、全員が全体像を把握していると確信していたわけではない。

「解釈は議論の的となっている」と、ペンシルバニア州立大学の物理学者で、今回の論文の著者ではない村瀬耕太氏は言う。「多くの研究者は、空のさまざまな方向からやってくる高エネルギーニュートリノの起源を説明するには、他の種類の発生源が必要だと考えている」

そこでアイスキューブの科学者たちは作業に取り掛かり、2011年から2020年までの9年間分のアイスキューブの観測データを徹底的に調べた。TXS 0506+56のようなブレーザーはガンマ線の奔流を噴出する傾向があるため、研究者たちはニュートリノを既知のガンマ線源と照合しようとした。

結局、彼らが発見したガンマ線源は、彼らが期待していたものではなかった。

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NGC 1068 (別名 M77) は、地球から約 4,700 万光年離れたところにあり、私たちの銀河系とそれほど変わりません。天の川銀河のように、渦巻き状の形をしています。天の川銀河のように、その中心には超大質量ブラックホールがあります。一部の天文学者は、これがニュートリノの発生源ではないかと疑っていましたが、証拠はつかめていません。

そのブラックホールは、天体物理学者が宇宙線と呼ぶ物質の奔流を生み出します。その名前にもかかわらず（最初に発見した科学者は、それを光線だと思っていました）、宇宙線は実際には超エネルギーの陽子と原子核であり、ほぼ光速で宇宙を駆け巡っています。

しかし、天の川銀河の中心にあるブラックホールとは異なり、NGC 1068 のブラックホールは厚いガスと塵のベールに覆われており、本来放出されるはずのガンマ線の多くが遮られている。天文学者によると、このことがニュートリノの発生源に関する従来の見解を複雑にしているという。「これが重要な問題です」とハルゼン氏は言う。「私たちが検出する発生源は、高エネルギーガンマ線では見られません。」

宇宙線がそのベールに衝突すると、一連の核反応が起こり、ニュートリノが放出されます。(実際、宇宙線は地球の大気圏に衝突したときにも同じ反応を起こします)。NGC 1068 の発見が非常に興味深い理由の 1 つは、その結果生じるニュートリノが天文学者に宇宙線についての手がかりを与える可能性があるからです。

これは最終的な証拠ではない。確信を得るにはデータがまだ十分ではない。そのためにはさらなる観測と、何年もの綿密なデータ分析が必要だ。それでも、他の天文学者が NGC 1068 のような、中心のブラックホールが遮られている銀河を空で探すかもし​​れないと村瀬氏は言う。

一方、他の天文学者たちは、高エネルギーニュートリノが流れ出る場所は他にもあると考えている。例えば、星が超大質量ブラックホールに近づきすぎると、ブラックホールの重力で星が引き裂かれ、その過程でニュートリノが放出される可能性がある。天文学者たちはニュートリノを探す準備をすると同時に、空の新しい、より多様な地点も探したいと考えている。

彼らが研究に使えるのはもうすぐ IceCube だけではない。天文学者たちは、シベリアのバイカル湖の底と地中海の海底にそれぞれ 1 基ずつ、さらに高感度ニュートリノ検出器を設置するための基礎工事、あるいは海上工事を進めている。これらの検出器は、もうすぐ遠くまで飛んでくるニュートリノの探索に加わることになるかもしれない。