何？ミリ秒は数十年でどのくらいになるのでしょうか?高速電波バーストの謎を解明

制作：中国科学普及協会

著者: 雲超昊、温志剛 (中国科学院新疆天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

2007年、天文学者たちはパークス電波望遠鏡の長年保存されていたパルサーデータの中に、数ミリ秒続く短く明るい電波パルスという見過ごされていた信号を発見した。

この無線帯域における瞬間的な無線パルスのエネルギーは、世界の現在の年間発電量、つまり過去数十年間に太陽が無線帯域で放出した総エネルギーの数百億倍に相当します。

この信号は数十億年にわたって宇宙を旅しており、星間ガスや塵を通過して徐々に減速しています。分散、シンチレーション、散乱などの影響を受けて、パルス プロファイルは大幅に変化しました。それで、この信号は正確には何でしょうか?

パークス電波望遠鏡（画像提供：Flickr/Amanda Slater、CC BY-SA）

電子レンジからの謎の信号

時計の針を1998年に戻しましょう。オーストラリアのパークス電波望遠鏡が謎の信号を発見した年です。最初は高周波でしたが、その後周波数が徐々に低下し、最終的に静穏に戻りました。

天文学者たちはこの信号についてさまざまな意見を持っています。これを雷によって引き起こされたパルスだと考える人もいれば、宇宙人からの信号だと考える人もいます。

その後数日間、このおなじみの信号は日中や食事の時間に断続的に現れました。そのため、パークス望遠鏡のスタッフは、1998年から2015年までの17年間の観測で、雨の日も晴れの日も、食事を手に信号が届くのを待つという習慣を身につけた。

天文学者たちはこの信号について何百もの論文を書き、権威ある学術誌に発表しました。彼らはその信号に「ペリトン」という名前まで付けました。これは人間の形の影を持つ、半鹿半鳥の怪物です。これは、2007 年に無視された無線信号と非常によく似ています。

ペリトンの画像（画像出典：Wiki）

2015年になって初めて、新たな同僚が信号の周波数が電子レンジの周波数と一致する約2.4GHzであることを発見しました。これにより、信号が天文ステーションの研究室にある電子レンジから発信されたものであることがようやく確認され、科学者たちの17年間の努力は一瞬にして水の泡となった。

この事件は天文学研究の残酷さを明らかにし、科学研究史上有名な失策となった。

高速電波バースト：起源不明の天体物理現象

2007年に無視された信号については、世界中の科学者が望遠鏡の故障でもノイズでもないことを何度も確認し、電子レンジから放射された信号の可能性も排除している。彼らはこれを「高速電波バースト」、またはFRB（高速電波バースト）と呼んでいます。これは、平均数ミリ秒持続する一時的な電波パルスとして現れる、原因不明の天体物理学的現象です。

2007年にパークス64メートル電波望遠鏡によって初めて高速電波バーストが発見されて以来、科学者たちはそのような信号を発する合計約700個の源をFRBカタログに含めており、そのうち63個の源が少なくとも2個のFRB信号を発している（2023年5月時点のデータ）。

銀河座標系におけるパークス望遠鏡で観測された天空の領域の空間分布。オレンジ色の星は 81 個の高速電波バースト候補の分布を示し、灰色の網掛け部分は 1997 年から 2001 年にかけて望遠鏡で観測された領域を示しています。5 つの紫色のアスタリスクは、2001 年にパークス望遠鏡で検出され、以前に発表されていた高速電波バースト (ロリマーらが発見した最初の高速電波バーストを含む) を表しています。 (画像出典: 王立天文学会月報)

このような繰り返し発生するFRBは「リピーターバースト」と呼ばれます。非常に有名なものとしては、FRB180916.J0158+65 があります。数字はFRBが検出された時刻を示します。

この高速電波バーストは、2018年9月16日に初めて検出されました。これは、これまでに検出された唯一の固定周期の高速電波バーストであり、周期は16.35日です。一度だけ発生する FRB は「非反復バースト」と呼ばれます。

高速電波バーストを検出することの重要性は何ですか?

科学者たちは10年以上にわたってFRBを研究してきましたが、その起源となる恒星が正確には何なのかなど、人々の理解はまだ比較的曖昧です。どこにありますか？原因とメカニズムは何ですか?

これらの質問に答えるには、より多くの観察データが必要です。この段階で、科学者はすでに検出されたFRBからいくつかの物理的な結果を推測することができます。

高速電波バーストが地球に到達すると、それが運ぶ信号の波長と伝播速度が異なり、地球に到達するまでの時間も異なります。

さまざまな波長の到着時間を記録することで、科学者は高速電波バーストが長い旅の間にどれだけの星間物質を通過したかを知ることができ、それを使って星間物質内の自由電子の密度分布を検出することができます。

FRB121102 (画像提供: ジェミニ天文台/AURA/NRC/NSF/NRAO)

高速電波バーストは、アインシュタインの一般相対性理論における弱い等価原理（静止質量のない中性粒子（光子など）または静止質量が無視できる中性粒子（ニュートリノなど）が重力場内を伝播する場合、移動にかかる時間は重力場がない場合のそれとは異なるという弱い等価原理）をテストすることもできます。

高速電波バーストの光曲線は一般に単純な単一パルスの特徴を示すため、地球に到達する高速電波バースト内の異なる周波数の光子間の時間差を使用して、弱等価原理仮説を正確に検証することができます。

高速電波バーストの分散測定 (DM 値) を使用することで、科学者は低赤方偏移宇宙における「失われた」重粒子を検出し、「失われた」重粒子に対する 1 つの理論的説明を提供することができます。

さらに、高速電波バーストは、高赤方偏移 (z>5) での宇宙の膨張を観測するための「標準光源」としても使用できます。高赤方偏移スケールで暗黒エネルギー効果が顕著である場合、高速電波バーストはこの赤方偏移範囲での観測に最適な手段となります。

高速電波バーストとそのホスト銀河の芸術的概念図

写真の望遠鏡は中国の天眼望遠鏡（FAST）と、最高の空間解像度を持つ単一開口光学望遠鏡であるケック望遠鏡です（イラスト：于静川、傅海）（画像提供：科学アカデミーWeChatアカウント）

高速電波バーストクロニクル

天文学者たちは、現在観測されている高速電波バーストの数は限られているものの、これは宇宙でよく見られる現象であるはずだと推測している。研究者たちは、宇宙では高速電波バーストが1秒あたり約1回の頻度で発生していると考えている（これまでに約700回検出されている）。

科学者はまだ高速電波バーストの科学的謎を完全には解明していないが、数十年にわたる観測と研究により、多くの成果を達成することができた。

結論

FRB 分野は謎と課題に満ちた研究分野です。中国のスカイアイFASTの高感度観測能力と低周波帯域での観測優位性、そして中国科学院新疆天文台七台天文台の110メートル全方向移動式電波望遠鏡の完成により、より高い周波数範囲とより広い天空領域で、より多くのFRB信号を観測できるようになります。将来、人類は高速電波バーストの研究において質的な飛躍を遂げるだろうと私は信じています。

参考文献:

[1] Macquart JP、Keane E、Grainge K、他。 SKA[J]による宇宙論的距離での高速遷移。 Square Kilometre Arrayによる天体物理学の進歩、2015:055。DOI:10.22323/1.215.0055。

[2] Fender R、Stewart A、Macquart JP、et al.Square Kilometre Arrayによる過渡天体物理学[J].Physics、2015.DOI:10.48550/arXiv.1507.00729。