謎の超高エネルギーガンマ線と宇宙最古の光、その二つの関係とは？

超高エネルギーガンマ線は宇宙がいかにして初期に進化したかを明らかにするかもしれない

この画像は天の川銀河の円盤（赤）と謎のガンマ線信号（紫色の円）を示しています。クレジット: NASA ゴダード宇宙飛行センター

天文学者たちは、銀河系外から発生する未知の予期せぬガンマ線信号を発見した。

NASAとメリーランド大学の宇宙学者アレクサンダー・カシュリンスキー氏は、NASAのフェルミ望遠鏡の13年間のデータを調べた後、奇妙なガンマ線信号を発見した。

「これは完全に偶然の発見だった」とカシュリンスキー氏は声明で述べた。 「私たちが観測していた空の領域の外で、予想よりもはるかに強い信号を発見しました。」

さらに奇妙なのは、このガンマ線が宇宙最大の未解決の謎の一つ、つまり宇宙の超高エネルギー粒子の源と関係しているという事実です。

研究チームは、ガンマ信号線は高エネルギー粒子から来るか、宇宙線に関連していると考えている。それらは主に陽子、中性子、原子核で構成されています。

これらの超高エネルギー宇宙線（UHECR）は、通常のガンマ線の100億倍以上のエネルギーを運びますが、その起源は謎のままです。ガンマ線信号によってその謎が固まったようです。

「宇宙の化石」の探索がガンマ線の予期せぬ発見につながる

新たに発見されたガンマ線の特性は、宇宙背景放射 (CMB) の特定の特性と非常によく似ています。

CMB は宇宙最古の光であり、宇宙誕生から 38 万年後に発生した出来事によって生成されました。それ以前は、宇宙は光が自然に伝わることができない熱い粒子のスープでした。

この頃、宇宙は十分に冷え、電子と陽子が結合して原始的な原子を形成することができました。電子が突然消えたことで、光子が自由に移動する余地が生まれました。

この瞬間、宇宙は突然不透明から透明に変わり、この自由に移動する光子が現在人類が観測しているCMBです。

宇宙が膨張し続けるにつれて、これらの光子はエネルギーを失い始めました。これらの光子の温度は、現在 -270 ℃ (2.78 ケルビン) に達します。

CMB は、1964 年 5 月に 2 人の無線技術者、アルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンによって発見されました。彼らは、地球を背景のように覆っているように見えるマイクロ波放射があることを発見しました。そのため、この放射はマイクロ波背景放射と呼ばれています。当時、CMB の温度はどの方向でも同じであるはずだと考えられていましたが、1990 年代に NASA の COBE 衛星がこのモデルに疑問を投げかけ、CMB の温度は方向によってわずかに異なることを発見しました。

COBE は、獅子座の方向では CMB が平均温度より 0.12% 高温であり、反対方向では CMB が平均温度より 0.12% 低温であり、流れも少ないことを発見しました。

この「2レベル」パターンは、CMBに対して秒速370キロメートルの速度を持つ太陽系自体の動きによって引き起こされると考えられています。しかし、太陽系が宇宙の中で一方向に動いているとすれば、他のすべての星の光はCMBと同様の「2レベル」特性を示すはずであるが、この推測はまだ確認されていない。天文学者たちは、CMB の「二極性」が太陽系の運動を反映していることを示す他の証拠を探している。

「このような測定は、CMBの『2つの段階』の特性の違いが、宇宙誕生から1000億分の1秒後までの非常に初期の宇宙を理解するのに役立つ可能性があるため、重要である」と、チームメンバーでスペインのサラマンカ大学の理論物理学者フェルナンド・アトリオ・バランドラ氏は述べた。

宇宙の謎は1つ、それとも2つ？

研究チームは、1日に何度も天空の調査を行うフェルミ宇宙望遠鏡とその大面積望遠鏡（LAT）と、長年にわたって継続的に運用されているLATに目を向けた。研究者たちは、LATデータによってガンマ線信号の「2レベル」の性質が明らかになることを期待していた。

特殊相対性理論とガンマ線の高エネルギー状態により、この「2 レベル」の性質は CMB の場合よりも 5 倍明白になるはずです。チームはこの「2 レベル」の性質を発見しましたが、予想していた方法ではありませんでした。

「ガンマ線の等級が2倍あるのを発見したが、その最大値は南の空にあり、CMBの最大値からは遠く、その強度は予想の10倍である」と、カトリック大学の天体物理学者で研究チームのメンバーであるクリス・シュランダー氏は述べた。 「これは我々が探していたものではないが、高エネルギー宇宙線の同様の特性と関係があるのではないかと疑っている。」

UCHERを構成する高エネルギー荷電粒子はCMBと「二重極性」を持ち、2017年にアルゼンチンのピエール・オージェ天文台によって初めて発見された。

これらの荷電粒子は地球に向かって進む際に天の川銀河や他の天体の磁場によって偏向され、偏向の方向は磁場の強さによって決まりますが、UCHER の「極」は依然として新たに発見されたガンマ線信号の非常に近くに位置しています。

研究チームは、位置の類似性から、UCHER と新たに発見されたガンマ線信号はおそらく関連していると考えており、特に未知の発生源が両方の信号 (UCHER と新たに発見されたガンマ線) を同時に生成している可能性があることを考慮している。

天文学者は現在、高エネルギーの光子と粒子がどこから来るのかを研究して、その発生源を特定し、その2つが関連していて同じ問題なのか、それともまったく異なる問題なのかを解明したいと考えています。

研究チームの研究結果は天文学会第243回会議で発表され、研究チームは天体物理学ジャーナルに論文を掲載した。

著者: ロバート・リー

FY: チェン・リー

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