どうして深宇宙からの電波を発見した科学者は困惑したのか

今回、新たに発見された高速電波バーストは、いくつかのユニークな性質を持っており、天文学者にこれらの不思議な天文現象の原因に関する重要な手がかりを与えると同時に、科学者がこの強力なフレアについて知っていると思っていたことのうちの1つに疑問を投げかけていることが、私と同僚が2022年6月8日にNatureに発表した新しい研究によって明らかになりました。

高速電波バースト(FRB)は、はるか彼方の銀河からやってくる非常に明るい電波のパルスです。1ミリ秒間に太陽が何日もかけて放出するのと同じくらいのエネルギーが放出されます。ここウェストバージニア大学の研究者たちが、最初のFRBを検出したのは2007年のことです。過去15年間で、天文学者は約800個のFRBを検出し、さらに毎日多くのFRBが発見されています。

望遠鏡がFRBを捉えたとき、研究者が最も注目するのは「分散」と呼ばれる特徴です。この分散は、FRBが地球に到達したときに、どれだけ引き伸ばされているかを示す指標です。

星や銀河の間にあるプラズマは、電波を含むすべての光を減速させますが、低い周波数の光は高い周波数よりも強く減速します。FRBはさまざまな周波数を含んでいるので、バースト中の高い周波数の光は低い周波数よりも先に地球に到達し、分散を引き起こします。このため、研究者は分散を利用して、FRBが地球からどの程度の距離で発生したかを推定することができます。FRBが伸びれば伸びるほど、信号が通過したプラズマが多くなり、発生源は遠くなるはずです。

電波信号の連続表示図
この図の上部は、FRB190520からの6つのバーストで、電波の明るさのスパイクを表しています。下半分は、個々のバーストの周波数帯を示している。Niu, CH., Aggarwal, K., Li, D. et al.


なぜそれが重要なのか ー

私と同僚が発見した新しいFRBは、FRB190520と名付けられました。私たちは、中国にある口径500メートルの球面望遠鏡を使って、この天体を発見しました。FRB190520は、24個しかない繰り返しのFRBのうちの1つで、2020年の半年間で75回と、他のFRBに比べて非常に頻繁に繰り返されることが、すぐに分かったのです。

そこで私たちは、ニューメキシコ州にある電波望遠鏡「Very Large Array」を使ってこのFRBをさらに詳しく調べ、地球から約30億光年離れた矮小銀河が発生源であることを突き止めることに成功したのです。このとき、このFRBがいかにユニークで重要なものであるかということが分かってきました。

まず、FRB190520と同じ場所から、ずっと微弱な電波が発せられていることが分かりました。これまで発見された800個以上のFRBの中で、同じような電波信号が持続しているのは、他に1つだけです。

2つ目は、矮小銀河からのFRBと特定できたので、その銀河が地球からどのくらい離れているのかが正確に分かったことです。しかし、この結果は腑に落ちないものでした。なんと、FRBの分散から見積もった距離は、地球から300億光年と、実際の30億光年の10倍もの距離があったのです。

このほか、天文学者が正確な位置、つまり地球からの距離を特定できたのは、19個のFRB発生源だけです。残りの約800個のFRBについては、天文学者は地球からの距離を推定するために分散だけを頼りにしなければなりません。位置がわかっている他の19個のFRBについては、分散から推定される距離は、実際の銀河までの距離と非常によく似ています。しかし、この新しいFRBは、分散を用いた推定が時に不正確であることを示し、多くの仮定を窓から投げ捨てているのです。

まだ分かっていないこと ー

この新しい分野では、何が原因でFRBが発生するのかがまだ分かっていないため、新しい発見や情報はどれも重要です。

今回の新発見は、持続的な電波信号がよくあるのか、どんな条件で発生するのか、FRBを発生させるのと同じ現象が持続的な電波信号を出しているのか、といった具体的な疑問を投げかけるものです。

そして、大きな謎は、なぜFRB190520の分散が大きくなったのかということです。それは、FRBの近くにある何かが原因だったのでしょうか?パーシステント電波源と関係があったのでしょうか?このFRBが来る銀河の物質と関係があるのでしょうか?これらの疑問は、すべて未解決のままです。

今後はー

世界中のさまざまな望遠鏡を使って、FRB190520の研究に集中する予定です。このFRBとその銀河、そして発生源を取り巻く宇宙環境を調べることで、FRBが明らかにした多くの謎に対する答えが見つかると期待しています。

また、他のFRBも今後発見される予定です。また、FRBのカタログを作れば作るほど、面白い性質を持ったFRBが発見される可能性が高くなり、天文現象の謎が解き明かされていくでしょう。

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