天文学者たちは奇妙な宇宙の謎を解く上で大きな一歩を踏み出した

宇宙で最も強力な物体を思い浮かべると、何が思い浮かびますか? 原子爆弾や超強力な太陽でしょうか? それでは、高速電波バーストについてご紹介します。これは、わずか数千分の1秒しか続かない奇妙な現象ですが、太陽が80年間に放出するエネルギーよりも多くのエネルギーを放出することがあります。宇宙では、いつでも何千もの高速電波バーストが閃光を放っていますが、これほど遍在し、強力なものであるにもかかわらず、その発生方法や理由についてはほとんどわかっていません。その理由の多くは、2007年に初めて発見されて以来、科学者たちがその発生源を完全に把握できていないという事実に関係しています。ブラックホールから放出されたものなのでしょうか? 暴走している不安定な星の延長なのでしょうか? 知的な地球外生命体が私たちと交信しようとしている兆候なのでしょうか?

その疑問の解決に向けて、私たちは大きな一歩を踏み出した。木曜日にサイエンス誌に掲載された研究で、国際チームが非反復FRBの発生源を初めて特定したと報告している。「これは、私たちがそれを見つけ、それを特定するための適切な種類のデータを入手した最初のFRBでした」と、オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）の天文学者で、新しい論文の主著者であるキース・バニスター氏は言う。「このFRBを特定するために、望遠鏡に「ライブアクションリプレイ」モードと呼んでいるものを構築する必要がありました。」

この「ライブアクションリプレイ」システムは、どの奇妙な宇宙現象がFRBを生み出し、宇宙の残りの部分に放出しているのかを最終的に解明するために必要な画期的なイノベーションとなる可能性があります。

「本当に素晴らしい発見だ」と、この研究には関わっていないニューヨーク市コロンビア大学の天体物理学者ブライアン・メッツガー氏は言う。「直接比較はしたくないが、ある意味では、発生場所の特定は、発生源が分からない100の事象よりも価値がある。非常に多くの背景情報が得られる」

焦点は FRB 180924 に当てられており、これは天文学者によって検出された 86 番目の FRB です。このような信号は極めて短命であることで有名ですが、この信号はわずか 1.3 ミリ秒しか持続せず、人間の脳にとってはほとんど一瞬の出来事に過ぎません。

これらの信号の発生源に関する理論には、ブラックホールや中性子星、高エネルギーの超新星といった従来の説明に加え、ブリツァー（仮想的なパルサー）や暗黒物質の崩壊といった一風変わった説もある。そして、確かに、宇宙人から来ているのではないかと言う人もいる。近年最も称賛されている理論の1つは、メッツガー氏と彼の同僚数名が提唱したもので、FRBは若いマグネター（非常に強力な磁場を伴う中性子星）からの活発なフレアの影響であると示唆した。

公平を期すために言うと、これは実は初めてのFRBではない。2017年、科学者たちは繰り返し発生するFRBの起源銀河であるFRB 121102（記録上観測された2つのうちの1つ）を正確に特定することに成功した。依然として困難な作業ではあったが、繰り返し検出されたことで天文学者はどこを探せばよいかの手がかりを得て、最終的に30億光年離れた、星形成率の高い弱い矮小銀河にたどり着いた。

ご想像のとおり、一回限りの FRB の発生源を特定するのはさらに困難です。「重要なのは、FRB を発見でき、アンテナ間の距離という点で FRB の位置を特定できるほどの大きさの望遠鏡を持つことです」とバニスター氏は言います。「これまでの望遠鏡は、どちらか一方は検出できましたが、両方は検出できませんでした。」

CSIRO には、この作業を可能にする秘密の技術がある。オーストラリア西オーストラリア州にある 36 基のアンテナを備えた電波望遠鏡アレイ、オーストラリア平方キロメートルアレイ パスファインダー (ASKAP) だ。これまで、ASKAP のアンテナはすべて異なる方向を向いているのが普通で、信号の発生源など、より正確に信号の特徴を明らかにする作業に支障をきたしていた。

明らかに、この問題の簡単な解決策は、ASKAP のアンテナをすべて同じ空の方向に向けるように再配置することだった。しかし、バニスター氏と彼のチームは、FRB データ収集を可能にするシステムの改善、1 秒間に 10 億通りの異なる測定が行えるようにハードウェアをカスタマイズすること、そしてそれらの数値をリアルタイムで処理できる新しいソフトウェアを作成することなど、さらなる措置を講じた。

では、「ライブアクションリプレイ」システムの仕組みは次の通りです。ASKAP が FRB を検出すると、データ収集は停止し、ソフトウェアは各アンテナが過去 3 秒間に収集したすべての生データをダウンロードします。元の信号は実際には各アンテナに異なる時間に到着し、天文学者はこのナノ秒未満の遅延を利用して、約 0.1 秒角の精度で FRB の位置を評価できます。これは「200 メートル離れた場所にある人間の髪の毛の長さに相当します」とバニスター氏は言います。

その後、研究チームは地球上で最も強力な地上望遠鏡3台（チリにあるヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡、ハワイにあるケック望遠鏡、チリにあるジェミニ南望遠鏡）を使用して起源点を撮影し、距離を測定した。

その結果、FRB 180924 は、天の川銀河の大きさ、形、明るさに匹敵する、つる座にある 36 億光年離れた銀河の外縁に位置していることが分かりました。他の FRB と同様に、FRB 180924 は星間ガスの「分散」と呼ばれる効果により、時折減速します。天文学者は分散を利用して、FRB が地球に向かう途中でどのようなガスをどれだけ通過したかを測定することができます。これにより、A 地点と B 地点の間にどのような物質があり、信号がどのような経路をたどったかについて、ある程度の見当をつけることができます。

「非反復FRBの場合、発見してその位置を測定するチャンスは1回しかありませんが、ASKAPチームはそれを見事にやり遂げました」と、この研究には関わっていないモントリオールのマギル大学の天文学者シュリハルシュ・テンドルカール氏は言う。

この新しい起源点を、FRB 121102 の本拠地である矮小銀河と調和させようとすると、混乱が生じます。両者の大きさと明るさの差が 1,000 倍もあるのに、両方の銀河が同じ種類の不可解な高エネルギー現象を生み出しているとは考えにくいのです。

「今回の発見は、むしろ、より多くの疑問を提起しました」とバニスター氏は言う。「FRB は宇宙の非常に受動的な部分でも発生する可能性があることが分かりました。これまでは、FRB を発生させるには、非常に活発な星形成が必要だと考えていました。」彼は、新たな発見がいくつかのモデルに不利に働くと考えています。FRB 180924 が銀河の外縁部から来ているという事実は、銀河の中心にある超大質量ブラックホールが通常の発生源であるという理論に疑問を投げかけます。超新星爆発後に形成された若いマグネターのような非常に若い星も、銀河系を必要としない説明も、おそらく除外されます。「FRB がこれほど幅広い環境でどのように発生するかを理解するには、設計図に戻る必要があります。」

新たな発見が現在のFRB理論の根本的な転換を必要とすると誰もが確信しているわけではない。研究には参加していないコーネル大学の天文学者ジェームズ・コーデスは、中性子星、特にマグネターがFRB発生源として最も可能性が高いと依然として確信している。コーデス氏によると、最も大きな影響は、FRBが超高輝度超新星で発生し、金属濃度の低い矮小銀河で優先的に発生するという理論に関係しているという。「それはある程度は真実かもしれないが、新しいFRBとその銀河は反例となる可能性がある」とコーデス氏は言う。

また、反復型 FRB と非反復型 FRB は、単に異なるモデルによって支配されている可能性もある。「古い星々が集まる巨大銀河の外れで若いマグネターを見つけるのは、サハラ砂漠でクジラを見つけるようなものです」とテンドルカール氏は言う。「もちろん、この分野ではまだ研究の初期段階ですが、これは反復型 FRB と非反復型 FRB がまったく異なる起源から来ていることを示唆しているのかもしれません」。そして、マグネター モデルは後者にのみ当てはまるという。

メッツガー氏自身は、今回の発見がマグネターを完全に排除するとは考えていない。マグネターはこれまで考えられていたよりも多様で、より宇宙的なシナリオで形成されるだけなのかもしれない。「これらの FRB を生成するマグネターを生成する方法は他にもあるかもしれない」と同氏は言う。「そして自然界には高速電波バーストを生成する方法が複数あるかもしれない」

これらの疑問に答えられるのは、FRB のデータがもっと集まればですが、バニスター氏と彼のチームがこれらの現象を深く探究する新しい道を切り開いたことは明らかです。発生源を特定することで、犯行現場のどの物体が爆発を起こしたのかを特定するための窓がずっと狭くなります。もっとすぐには、科学者は FRB の分散をより確実な方法として利用して、宇宙全体の物質の分布を地図に描くことができます。これは、宇宙論の疑問に答える上で大きな助けとなるはずです。「この種のアプローチは未来の波です」とコーデス氏は言います。

(誰かが出てきて、それがエイリアンだと言うことを期待しないでください。エイリアンであるはずがありません。)