「Laso」はどのようにして天の川の超強力な側面を明らかにするのでしょうか?

編集者注：習近平総書記は、科学の普及は革新的な発展を達成するための重要な基礎作業であると指摘した。科学技術の高度な自立を実現するために、中国科学技術協会科学普及部と光明オンラインは共同で「2035年に定着：科学で国家に奉仕する学者たちの話」と題する一連の記事を立ち上げ、各分野の学者を招いて我が国の現在の科学技術上のホットな問題に対する権威ある回答を出し、より多くの科学技術者が科学研究と科学普及能力を向上させるよう導き、全人民の科学リテラシーの向上を促進し、科学技術強国の建設に科学普及に貢献することに努めました。 #1000万のIPが科学技術を生み出す

宇宙という広大な空間は、太古の昔から人類の限りない好奇心と探究心を刺激してきました。 2000年前、屈原は『天問』の中で「天はどこにあるのか？ 12の要素はどのように分かれているのか？ 太陽と月はどこに属しているのか？ 星はどこに配置されているのか？」という宇宙の謎を探求しました。現在、中国の科学者たちは、標高4,410メートルの稲城にある世界有数の高高度宇宙線観測所（LHAASO）を利用して、深宇宙からの超高エネルギー粒子を捕らえ、宇宙線の起源という100年来の科学的問題の解決に努めている。

宇宙線の魔法の旅

科学技術の継続的な進歩により、私たちはさまざまな手段を通じて宇宙の謎を探求できるようになりました。中でも宇宙線は、宇宙からやってくる高エネルギー粒子として、宇宙の起源や天体の進化など、さまざまな面で重要な科学的情報を運び、人類が宇宙を探査する重要な手段となっています。宇宙線は主に陽子、ヘリウム原子核、鉄原子核、陽電子、電子、光子、ニュートリノなどの成分で構成されています。これらは現在人類が宇宙の深淵から入手できる唯一の物質サンプルです。 「宇宙線は、宇宙の起源、天体の進化、太陽活動などに関する重要な科学的情報を運んでいます。宇宙線とその起源を研究することは、人類が宇宙を探索するための重要な方法です。」中国科学院院士、ラッソ主任科学者、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員の曹振氏が紹介した。

宇宙線の注目すべき特徴は、その極めて高いエネルギーです。これらの高エネルギー粒子を研究するために、人類は欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などの巨大な加速器を建造してきました。しかし、そのような加速器でも、宇宙線中の最高エネルギー粒子のレベルに到達するのは困難です。このため、宇宙線は極端な物理現象を研究したり、基本的な物理法則をテストしたりするのに最適です。

なぜ宇宙ではこのような高エネルギー粒子が加速されるのでしょうか?どうやってスピードを上げるのでしょうか?これらの疑問に答えるには、宇宙線の特性を正確に測定し、その発生源を遡る必要があります。

Lasso: 宇宙線を捕らえる強力なツール

宇宙線粒子は大気圏に入ると、大気中の原子核と相互作用して二次粒子を生成します。これらの粒子は原子核と相互作用を続け、1 個は 10 個になり、10 個は 100 個になり、これが何度も繰り返されます。最終的に二次粒子の数は数百億に達し、空気中の粒子の「シャワー」のように、10億分の1秒で数平方キロメートルの領域に広がります。このプロセスはエアシャワーと呼ばれます。科学者たちは、大気中や地表に到達した後に宇宙線が残した痕跡である二次粒子を検出し、その特性と起源を推測できる地上検出器を構築しています。

四川省稲城市海子山にある高高度ラゾ宇宙線観測所は、世界で最も標高が高く、最大かつ最も感度の高い超高エネルギーガンマ線検出装置の一つです。

ケーブルの航空写真/出典：中国科学院高エネルギー物理研究所

ラゾ天文台が高地に設置された理由は、高地の空気は薄く、大気による宇宙線の吸収が少ないため、より多くの宇宙線情報を捉えることができ、宇宙線の研究に独自の利点をもたらすからです。 Lasso は革新的な複合観測モードを採用しており、5,216 個の電磁粒子検出器と 1,188 個のミューオン検出器で構成される 1 平方キロメートルの地上粒子シャワー検出器アレイ (KM2A)、3,120 個の検出ユニットで構成される 78,000 平方メートルの水チェレンコフ検出器アレイ (WCDA)、および 18 個の望遠鏡で構成される広角チェレンコフ望遠鏡アレイの 3 つのアレイで構成されています。これらの検出器は宇宙からの「粒子の雨」を受信するために使用され、宇宙線の方向、エネルギー、組成などの情報を正確に測定することができ、科学者にデータリソースを提供し、宇宙線の起源、加速メカニズム、伝播プロセスなどの重要な問題についての詳細な研究を行うことができます。曹振氏は「観測時間が長くなると、ラッソはより高エネルギーの宇宙線の加速源も検出できる可能性があり、天の川銀河における宇宙線の起源の謎を解明できると期待される」と紹介した。

銀河の奥深くにある「超加速器」

ラゾの前例のない超高エネルギーガンマ線検出感度と広い視野により、ガンマ天文学の研究に革命的な変化がもたらされました。初期運用だけでも、天の川銀河内に 12 個の超高エネルギーガンマ光源、つまり超高エネルギー宇宙加速器候補が発見されました。人類が観測した中で最も高いエネルギーの光子も記録され、1.4PeV（eV「電子ボルト」は素粒子物理学におけるエネルギーの単位で、PeVは「ペタ電子ボルト」と読み、1PeV = 1×1015 eV）に達し、「超高エネルギーガンマ天文学」の時代が幕を開けました。

実験で発見された12個の安定したガンマ線源の模式図

中国科学院高エネルギー物理研究所より

その後2年以上にわたり、ラッソははくちょう座の恒星から大量のガンマ光子を観測し続け、はくちょう座に巨大な超高エネルギーガンマ線バブル構造を発見し、そこから100兆電子ボルトを超えるエネルギーを持つ宇宙線の起源の候補天体を発見した。今回ラッソが発見した巨大な超高エネルギーガンマ線バブル構造は、地球から少なくとも5000光年離れており、太陽系の1000万倍の大きさがあると報告されている。バブル構造内には 1 京電子ボルトを超えるエネルギーを持つ光子が複数存在し、最も高いものは 2 京電子ボルトに達します。これらの光子を放出する宇宙線粒子のエネルギーは、人工的に加速された粒子のエネルギーの数千倍です。この新たな発見は、バブル内部に「超宇宙線加速器」が存在し、10兆電子ボルトを超える高エネルギー宇宙線を継続的に放出していることを示唆している。

超高エネルギー宇宙線加速器によって生成される超高エネルギーガンマ線バブルの模式図

中国科学院高エネルギー物理研究所より

ラッソ氏は観測結果に基づき、バブル内部の超宇宙線加速器が周囲の星間空間の宇宙線密度を天の川銀河の宇宙線の平均レベルよりも大幅に高くしていると推測した。それが影響を及ぼす空間範囲は、現在観測されている泡の規模をはるかに超えており、これまでラッソによって検出された天の川からの拡散ガンマ線放射の過剰を説明する可能性がある。

人類は100年以上前に宇宙線の存在を発見しましたが、その起源は未だに謎のままです。 「広大な宇宙には無限の謎が隠されており、私たちは常にその謎を探求する旅を続けています。」曹振院士が述べたように、科学技術の継続的な進歩と観測所建設の継続的な改善により、人類の宇宙線に対する理解は深まり続けるだろう。近い将来、人類は宇宙線のさらなる謎を解明し、宇宙の性質と進化の探究にさらに大きく貢献できるようになると信じる理由があります。

（中国科学院院士、LHAASO主任科学者、天府宇宙線研究センター所長、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員の曹振氏が2025年天科学普及大晦日講演会で共有、光明オンライン記者田新宇がまとめ）