塵から塵へ：地球の最先端の観測所がいかにして人類の起源を解明するか

サンペドロデアタカマ アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA) の見学は、気の弱い人には向いていません。ALMA の見学コーディネーターでガイドのダニロ・ビダル氏に会うために不毛の台地を車で上った後、最初に立ち寄ったのは健康診断でした。ALMA のスタッフが生活し、宇宙の謎を解くために働いている運用支援施設で数時間過ごすためだけに、私は自分の心拍が速すぎず遅すぎず、血液の少なくとも 80 パーセントが酸素で飽和していることを証明しなければなりませんでした (最近海面で受けた健康診断では 96 パーセントでした)。

しかし、この極限環境にも関わらず、24カ国近くが協力して地球上で最も野心的な天文観測装置を建設しようとしている。エベレストのベースキャンプとほぼ同じ高さにある施設で、最新鋭のアンテナ66台を同期させて作動させるには、何百人ものエンジニアとその他のスタッフが軍隊並みの精密さで作業する必要がある。数十年にわたる建設と6年間の改修を経て完全に機能するようになったこの施設は、ようやくその主要目標の1つである、若い星の周りを渦巻く塵の熱光を観測することに力を入れている。すでにALMAの観測によって、これらのシステムが砂の雲から惑星の家族へと変化する物語が書き換えられつつある。これはまた、地球が太陽から3番目の岩石になった物語でもある。

血中酸素飽和度が 91 パーセントだったので、そのまま進む許可が下りたが、念のため、ヴィダルは使い捨ての酸素ボンベを私に渡した。それから私たちは彼の SUV に乗り込み、彼は自分の鼻ホースを 2 つの頑丈な酸素ボンベにつないだ。「規則だ」と彼は言い、私たちはチャナントール高原の頂上に向けてドライブを開始した。サボテンやビクーニャが、定められた時速 20 マイルで走り去っていった。

私たちの目は、目に見える虹色に偏っていますが、宇宙には他にもさまざまな光があふれています。星は可視スペクトルを超えて燃え、ブラックホールはX線や電波を放射し、恒星の爆発はさまざまな光線を放ちます。これらすべての異なる「色」を見ることによってのみ、宇宙の全体像を把握することができます。

長さ約 1 ミリメートルの光の波を観測する ALMA は、世界最高の暗視ゴーグルとして機能します。物体は温度に応じて異なる種類の光を発しますが、観測所のアンテナは、星のように輝くほど熱くない物体を検知します。ALMA の目には、冷たい塵が宇宙の極寒の背景に対して明るく輝いて見えます。これは、暖かい物体が赤外線カメラに映るのと似ています。実際、ALMA は可視光にはまったく反応しないため、昼夜を問わず空を観測できます。

塵の物語は、実は私たちが目にするすべてのものの物語です。だからこそ、北米、アジア、ヨーロッパの天文学コミュニティはチリ政府と協力し、15億ドルを投じて世界で最も乾燥した山の頂上に天文台を建設したのです。宇宙の水素の雲は崩壊して恒星となり、残った塵の円盤を巻き上げ、最終的には太陽系を構成する惑星、小惑星、彗星へと渦を巻くのです。私たちは宇宙の近隣を間近で研究することができますが、研究者たちはパターンと偶然を区別するために、より多様で若い例を切望しています。

コンピューターモデルは目標達成に大きく貢献しているが、惑星誕生の過程をとらえた画像に代わるものはない。これまでのミリ波観測機器は必要なパワーが不足していたが、この点ではALMAが画期的な成果をあげている。「これほど大きな飛躍はめったにない」とハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究員ショーン・アンドリュース氏は言う。「これは、小型の手持ち望遠鏡からハッブル宇宙望遠鏡に移行するようなものです」

台地の頂上に着くと、ALMA がどうやってあの素晴らしいショットを撮るのかがすぐにわかりました。脳が大きさを測るのに役立つ草の葉さえ見えなくても、広大なアレイ運用施設は巨大に見えます。しかし、アンテナを間近で見る前に、もう一度健康診断の時間です。昨年ネパールの鉄道駅が機能停止になった後、ヴィダルが現在世界で最も高い技術ビルと数えている建物に入り、酸素飽和度が 3% 余りという状態で、かろうじてツアーを続ける許可を得ました。

ALMA は望遠鏡というよりは干渉計であり、単一の機器では不可能な範囲、つまり幅 1 マイル以上に及ぶ 66 台の大型アンテナにその機能が分散されている。私が訪れたときの大きさは少なくともそのくらいで、重さ 100 トンのアンテナはそれぞれ持ち運び可能である。オットーとロアというニックネームの巨大なフォークリフト 2 台が、1 日に数台のアンテナを休みなく運び、数か月かけてアレイの幅を前例のない 10 マイルにまで拡大する。天文学者は、スマートフォンのピンチ ズーム機能の宇宙版のように、アンテナを伸縮させることで詳細または範囲のいずれかを優先できる。作業中はアンテナが常にコンセントに差し込まれていることを確認する必要があるだけだ (フォークリフトには電力を供給するバッテリー システムがある)。停電して内部の機械が動作温度である零下 450 度を大きく超えて熱くなると、運転手は数百万ドルのレンガを抱えたままにされることになる。

幸いなことに、まだそのようなことは起きていない。ようやくフルパワーで、このアレイは2011年のデビュー時よりも10倍鮮明な画像を作り出し、その解像度により天文学者は惑星形成のより細かい詳細をますます把握できるようになった。

ハーバード大学の天体化学グループのリーダーであり、ALMA の理事会で北米から 5 名が代表を務めるカリン・オバーグ氏によると、塵粒子が「ふわふわの砂」から正式な世界へと旅する最初のステップは、円盤全体と同程度に、近隣の塵粒子とどのように交流するかに左右される。実験室での研究によると、惑星の種は水素や酸素との衝突によって氷のコーティングを得て、粘着性を持つようになる。数百光年離れたところから特定の元素を選ぶのは難しいが、ALMA は地球外の砂糖やアルコールを発見した。

氷のちりの塊よりも大きくなることは、私たちの足元にある実証的な証拠にもかかわらず、何年もの間理論的には不可能と思われていた。モデルでは、何らかの理由で粒子が特別な高密度の領域に集まっていない限り、円盤内の回転力によってちりの塊が米粒の大きさを超えて膨らむ前に引き裂かれるはずだと予測されていた。

カナダのビクトリアにあるNRCヘルツバーグ天体物理学研究所の天体物理学者ニエンケ・ファン・デル・マレル氏が率いるチームは、2013年にオランダのライデン大学で、まさにそのような「ダストトラップ」の直接画像を初めて撮影し、数十年にわたるモデリングを裏付けた。「円盤内のプロセスのシミュレーションを行っている人々は、観測者とはほとんど無関係に作業していました」と彼女は回想する。「理論は観測から乖離していましたが、ALMAはそれを本当に結び付けました。」

現在、天文台の新しいデータにより、シミュレーターは防御に回っている。ALMA が地球から 450 光年離れた塵の雲に囲まれた若い恒星、HL タウにアンテナを向けたとき、滑らかな円盤が見えるはずだった。惑星が合体するには数百万年かかると考えられており、この系はその 10 分の 1 に過ぎない。しかし、2014 年に撮影された画像には、赤く輝く円盤が 6 本の鮮明な溝で分割されていた。これはおそらく、周回しながら塵を吸い上げている赤ちゃん惑星の兆候だ。現在、ショーン・アンドリュースが率いる 20 個のそのような円盤を調査した調査結果がまもなく発表され、HL タウは例外ではなく規則であることが確認されている。惑星がどのように形成されるにせよ、ALMA の夜間視界は、惑星があらゆる場所で、しかも急速に形成されていることを明らかにしている。

台地の半分ほど下ったところにあるオペレーション サポート施設に戻ると、ヴィダルと私は、健康診断に不合格となり廊下をうろついているイタリア人映画製作者 2 人に出会った。彼らには、2 度目、そして最後のチャンスを 2 時間待つことになっていた。ヴィダルは、彼らが朝食のコーヒーの誘惑に抵抗するようにという指示を無視したのではないかと推測した。

カフェインを飲んでも大丈夫になった今、私たちはサンティアゴ出身のひげ面のデータ分析者で、この種の作業の陰の功労者であるマティアス・ラディスチとお茶を飲みながら腰を下ろした。ラディスチは施設の最大の敵である湿気と戦っている。アイザック・ニュートンの時代以来雨が降っていないほど乾燥した砂漠でも、水蒸気の痕跡は常に空気中に漂っている。ラディスチは湿度に適応するためにアンテナをリアルタイムで調整する。また、当直の天文学者として交代で勤務し、キューにある何百もの観測データからどの観測データを実行するかを決定する。

高度と夜行性のスケジュールのせいで、ALMA のエンジニアたちは眠い生活を送ることに慣れなければならないが、地球の起源の物語を解明する仕事に携わっているため、家族と離れて過ごす 1 週間のシフトや眠れない夜も価値あるものになっている。「その場にいることがモチベーションになっています」とラディスチ氏は言う。「地球は宇宙のオアシスのようなもので、人間の価値と生命の脆さを理解できます」

ビダルが私をアタカマ砂漠のオアシスであるサンペドロの町へ送り出す頃には、地球がチリを太陽の光から遠ざけ、太陽が地平線の下に沈み始めた頃だった。私はレンタカーに飛び乗り、後ろで薄い砂塵の雲が渦巻く中、ゆっくりと山腹を下っていった。

この記事の取材は、国立科学財団からの助成金によって部分的に支援されました。