南極のアイスキューブ観測所が単一のニュートリノを追跡し、宇宙線の謎を解く

南極の半マイル幅の氷の下に埋められた一連の検出器が、はるか遠くの銀河にある超大質量ブラックホールまでの単一のニュートリノの軌跡を追跡し、その過程で1世紀もの間謎とされてきた宇宙線の謎に光を当てた。

この発見は、本日、科学誌「サイエンス」と「アストロフィジカル・ジャーナル」に発表された一連の研究論文の中で明らかにされ、国立科学財団のアムンゼン・スコット南極点基地のアイスキューブ・ニュートリノ観測所にとって画期的な出来事となった。

これは、複数の観測所がそれぞれ異なる方法で空を観測するマルチメッセンジャー天体物理学と呼ばれる観測の最先端分野にとっても画期的な出来事です。アイスキューブの警報のおかげで、10基以上の望遠鏡がニュートリノの発生源を三角測量することができました。

「一つの望遠鏡だけでこれを行うことはできなかった」と、アイスキューブの主任科学者でウィスコンシン大学マディソン校の物理学教授フランシス・ハルゼン氏は語った。

9月22日に検出された高エネルギーニュートリノの発生源は、地球から37億光年離れた、中心に高速で回転するブラックホールを持つ巨大な楕円銀河であると思われる。

このような銀河はブレーザーと呼ばれ、その特徴的な特徴は、ブラックホールの自転軸に沿って放射線と素粒子を噴出する一対のジェットです。ブレーザーのジェットの1つは、たまたま地球に直接向いています。

天文学者たちは、TXS 0506+056、あるいは「テキサス・ソース」として知られるこのブレーザーについて長年知っていました。しかし、アイスキューブが登場するまでは、このブレーザーを宇宙線と関連付ける方法がありませんでした。

宇宙線は宇宙から地球に到達する高エネルギー粒子であり、そのほとんどは電荷を帯びています。このような粒子は磁場によって偏向したり、介在する物質との相互作用によって遮られたりするため、発生源までの粒子の進路を追跡することは不可能です。

ニュートリノは異なります。電荷を持たず、質量も事実上ゼロで、他の物質との相互作用も非常に弱いため、通常は恒星や惑星を含むあらゆる障害物を通り抜けてしまいます。つまり、ニュートリノは発生源から直線的に移動していくのです。

稀に、高エネルギーニュートリノが原子核に直撃し、素粒子レベルの連鎖反応を引き起こすことがあります。2億7900万ドルかけて建設されたアイスキューブ・ニュートリノ観測所は、まさにこの種の反応を検出するために設計されています。

この観測所の心臓部は、数千個の光センサーを備えた3次元アレイで、南極の地下深く、1立方キロメートルの透明な氷の全体に広がっています。ニュートリノが原子核に衝突すると、特徴的な青い光の閃光がニュートリノの発生源の方向を指し示します。

9月22日、アイスキューブは強い閃光を捉え、それが約300兆電子ボルトのエネルギーを持つニュートリノによって引き起こされたと判定しました。これは、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で周回する陽子ビームの約50倍のエネルギーに相当します。

1分以内に、他の天文学者たちに、オリオン座のニュートリノ発生源に関連する空の一部に望遠鏡の焦点を合わせるようにという警報が発せられた。

その後数日間にわたり、カナリア諸島のフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡とMAGIC望遠鏡は、TXS 0506+056から発せられる強力なガンマ線バーストを検出しました。

ニール・ゲーレルス・スウィフト天文台やNuSTAR X線望遠鏡などの他の観測機器も、同じフレア源から複数の波長にわたる強い信号を捉えました。そして、アイスキューブの科学者たちがアーカイブを調べたところ、2014年12月にTXS 0506+056から発生した別のフレアの証拠を発見しました。

「すべてのピースがぴったりと合いました」と、ウィスコンシン大学マディソン校のアイスキューブ上級科学者、アルブレヒト・カール氏は本日のニュースリリースで述べた。「私たちのアーカイブデータに記録されていたニュートリノフレアは、独立した確証となりました。他の観測所の観測結果と合わせると、このブレーザーが極めて高エネルギーのニュートリノ、ひいては高エネルギー宇宙線の発生源であるという説得力のある証拠となります。」

天文学者たちは1世紀以上にわたり、宇宙線は超新星、ブラックホール、銀河の衝突といった激しい現象から放出されていると推測してきました。そして今、彼らの研究は単なる推測にとどまりません。

「ブレーザーが宇宙線の発生源となる可能性は低いという、天体物理学界における一般的なコンセンサスがあったのに、今それが実現したのは興味深いことです」とハルゼン氏は述べた。「今、私たちは少なくとも一つの高エネルギー宇宙線の発生源を特定しました。それは宇宙ニュートリノを生成するからです。」

昨年初めて中性子星の衝突が検出されたように、アイスキューブの発見はマルチメッセンジャー天文学の威力を実証しています。「マルチメッセンジャー天体物理学の時代が到来しました」と、NSFのフランス・コルドバ所長は声明で述べています。「電磁波、重力波、そしてニュートリノといったそれぞれのメッセンジャーは、宇宙へのより完全な理解と、空で最も強力な天体や現象に関する重要な新たな知見をもたらしてくれます。」

コルドバ氏は「このような飛躍的進歩は、基礎研究への長期的な取り組みと優れた研究施設への投資を通じてのみ可能になる」と述べた。

NSFの記者会見で、コルドバ氏はアイスキューブが宇宙線の謎を解き明かすための探究を続けると述べた。宇宙線は、暗黒物質や暗黒エネルギーといった謎と並ぶ、他の多くの謎と並ぶ存在である。「こうした謎を解き明かすことこそが、科学の真髄です」とコルドバ氏は語った。

アイスキューブ・コラボレーションの元広報担当者であるウプサラ大学の物理学者オルガ・ボトナー氏は、次のステップの一つはアイスキューブによるニュートリノ観測とLIGOや他の観測所による重力波の読み取りを組み合わせて、宇宙で最も激しい現象のさらに良い画像を得ることだと語った。

「これはすぐそこに待ち受けている発見だと信じている」と彼女は語った。

「高エネルギーニュートリノIceCube-170922Aと同時発生したフレアリング・ブレーザーのマルチメッセンジャー観測」と「IceCube-170922A警報発生前のブレーザーTXS 0506+056方向からのニュートリノ放出」は、Science誌のウェブサイトで無料で公開されています。また、「フレアリング・ブレーザーTXS 0506+056のマルチメッセンジャー画像：高エネルギーニュートリノ放出と宇宙線加速への示唆」と題された別の論文が、The Astrophysical Journal誌に掲載されています。