これまでで最も明るい「宇宙花火ショー」が完全に記録され、今年のトップ 10 の科学的進歩の 1 つに選ばれました。 「Lasso」のこの成果は私たちに何を伝えているのでしょうか?

2024年2月29日、中国国家自然科学基金は2023年の「中国科学の10大進歩」を発表した。中国科学院高能物理研究所の曹振院士が率いる高高度宇宙線観測所（LHAASO）の国際協力によって発表された大きな進歩により、LHAASOは史上最も明るいガンマ線バーストの極めて狭いジェットと10兆電子ボルトの光子を発見した。この成果に関連する論文は、2023年6月8日にScience誌に、2023年11月15日にScience Advances誌に掲載されました。

この結果を初めて見たとき、単語はわかっても、それがどのように組み合わされているのかよくわかりませんでしたか?ここで、基本的な知識をいくつかお伝えします。

ラッソは、史上最も明るいガンマ線バーストの極めて狭いジェットと 10 兆電子ボルトの光子を発見しました (芸術的な図)

1. 数十億光年離れた「宇宙の花火ショー」、ガンマ線バースト

ガンマ線バースト（略して「GRB」）は、空で突然かつ短期間に起こるガンマ線爆発現象です。これはビッグバン以来最も激しい天体爆発現象です。鮮明な比喩を使うと、ガンマ線バーストは巨大な花火のようなものです。唯一の違いは、花火は肉眼で直接見ることができますが、ガンマ線バーストを観測するには、特殊な大型の科学機器を使用する必要があることです。

ガンマ線バーストは 1967 年に初めて発見されました。その主な放射線は 100keV ～ 10MeV のガンマ線帯域にあります。人類は宇宙衛星検出器を使用して、約 10,000 件のガンマ線バースト現象を記録してきました。ガンマ線バーストは、放射の持続時間に基づいて、2 秒未満続く短いバーストと 2 秒を超える長いバーストの 2 つのカテゴリに分類されます。

では、ガンマ線バーストはどのようにして発生するのでしょうか?現在、科学界では一般的に、長時間バーストは超大質量星の中心核の崩壊から発生し、短時間バーストは 2 つの中性子星の合体から発生すると考えています。どちらのプロセスも、光速に近い速度のジェットを生成します。長い GRB であれ短い GRB であれ、それらはすべて、平均距離が約 100 億光年である遠方の銀河系外銀河から来ています。

2. 高エネルギーガンマ線バースト放射を完全に観測することは容易ではない

ガンマ線バーストの放射は、過渡放射と残光放射の 2 つの段階に分けられます。残光はガンマ線バーストの後に続く放射線であり、1997年に初めて発見されました。

ガンマ線バーストの中心エンジンはまず非常に高温の火の玉を生成し、それが極めて相対論的な速度で外側に膨張すると一般に考えられています。後ろの速い物質が前の遅い物質に追いつくと衝突が起こり、内部衝撃波が発生します。内部の衝撃波は電子を相対論的なエネルギーまで加熱します。相対論的電子は磁場内を移動し、シンクロトロン放射または逆コンプトン散乱によって keV/MeV ガンマ線を生成します。これがガンマ線バーストの瞬間放射です。

相対論的物質は星間物質を通過し続け、外部衝撃波を生成します。外部衝撃波は星間物質内の電子を加速し、電子のシンクロトロン放射を通じて、X 線、可視光線、電波などの帯域で比較的ゆっくりと変化する放射を生成します。これを残光放射と呼びます。

ガンマ線バーストの1兆電子ボルトの放射は、残光期の地上の大気チェレンコフ望遠鏡によって2019年まで観測されておらず、これまでに観測されたイベントは3件のみである。科学者たちは、マルチバンド共同観測を通じて、残光放射のエネルギースペクトルには 2 つのスペクトル成分があることを発見しました。低エネルギー成分は磁場内の電子のシンクロトロン放射であると考えられており、高エネルギー成分は高エネルギー電子によるシンクロトロン放射光子の逆コンプトン散乱であると考えられています。

大気チェレンコフ望遠鏡は、晴れた月のない夜にしか観測できず、視野も非常に狭いため、衛星警報情報を受信して​​からガンマ線バーストの方向に向けるまでに時間がかかります。彼らは残光の下降段階のみを観察し、過渡放射段階と残光の上昇段階の観測を逃した。

3. 中国の「Lasso」は人類がこれまでで最も明るいガンマ線バーストの秘密を解明するのに役立つ

「ラソ」は、第12次5カ年計画期間中の国家の主要な科学技術インフラの建設に向けた中長期計画プロジェクトです。研究開発の過程で、いくつかの重要なコア技術が開発されました。 2021年に全ての工事が完了し、安定稼働を開始しました。超高エネルギーガンマ線検出感度、超高エネルギーガンマ線調査感度、宇宙線エネルギーカバー範囲において国際トップレベルに達し、設計指標を上回る性能で2023年5月に国家検定を通過した。

海抜 4,410 メートルの高原に位置する高高度宇宙線観測所 (LHAASO) の航空写真。写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

ガンマ線バーストは Lasso の重要な科学的ターゲットの 1 つです。大気チェレンコフ望遠鏡と比較すると、Lasso 検出器の視野ははるかに広いです。全天の1/7を常時監視でき、全天候観測時間を持つため、ガンマ線バーストの瞬間放射や初期残光を観測することができます。

北京時間2022年10月9日夕方、宇宙衛星は人類史上最も明るいガンマ線バースト（GRB 221009Aと命名）を記録した。このガンマ線バーストは、太陽の20倍以上の重さを持つ巨大な恒星が燃料を使い果たして崩壊・爆発したときに発生した。既存の観測に基づくと、このような明るいガンマ線バーストは 1000 年に 1 回発生すると推定されます。

「LaSor」の広い視野と高い感度のおかげで、人類はついに初めて、ガンマ線バーストの1兆電子ボルトの残光放射の上昇から下降までの完全な進化の過程を観測することができました。ラッソが検出したピーク輝度の時刻に基づいて、ガンマ線バーストジェットの初速度のローレンツ因子は約440であると計算されました。これは、通常のガンマ線バーストのジェット速度よりもはるかに速いものです。

「LASO」は、初期段階で兆電子ボルトの放射線が極めて急激に上昇したことを観測しました。この新しい現象は、他のバンドの残光ではこれまで観測されたことがない。これは、初期段階で中央エンジンが残光に大量のエネルギーを注入し続けたことによるものと考えられます。 「LASSO」は700秒頃に明るさが急激に低下することも観測した。 「LASSO」の測定時間から、ジェットの半角はわずか0.8°であると推測できます。これは、これまで発見されたガンマ線バーストジェットの中で最も狭いものであり、史上最も明るいガンマ線バーストの秘密を明らかにしました。

4. 「ラソ」の発見はガンマ線バーストの理論的研究に新たな知見をもたらす

「LASO」は、GRB 221009Aから13兆電子ボルトに達する最高の光子エネルギーを検出し、ガンマ線バーストの10兆電子ボルト観測ウィンドウを初めて開きました。これは、ガンマ線バースト研究の60年の歴史における画期的な出来事です。科学者たちは、約1万回のガンマ線バーストの低エネルギー観測に基づいて、残光の標準的な理論モデルを確立した。 1兆電子ボルトの残光放射は、相対論的電子の同期自己コンプトン放射から発生します。理論的には、エネルギーの高い光子の明るさは大幅に減少するはずです。しかし、「Lasso」測定により、GRB 221009A の放射線は、予想されていた減光現象がなく、10 兆電子ボルト以上に及ぶことが判明しました。これはガンマ線バースト残光の標準的な放射モデルに疑問を投げかけ、より複雑な粒子加速プロセスによって約 10 兆電子ボルトの光子が生成されるか、あるいは新しい放射メカニズムが存在する可能性があることを示唆しています。

高エネルギーのガンマ光子が宇宙空間を伝播すると、宇宙全体に広がる背景光によって吸収されます。ガンマ光子のエネルギーが高いほど、吸収は強くなります。

宇宙背景光は、宇宙のさまざまな距離にあるすべての銀河の放射線生成物の合計であり、銀河の形成と進化に密接に関係しています。 GRB 221009Aは地球から約24億光年離れています。既存の宇宙背景光モデルでは、Lasso が 10 兆電子ボルトを超える光子を検出するのは困難になると予想されます。ラッソの測定結果は、宇宙が当初予想されていたよりも透明であることを示しており、赤外線帯域における宇宙背景光の強度は既存の宇宙論モデルで予想されていた強度の約40%に過ぎないことが示されており、これは宇宙における銀河の形成と進化を研究する上で大きな価値があります。

一方、既存の宇宙背景光の吸収強度が正しいと仮定すると、観測結果を説明するために、現在の素粒子物理学の標準モデルを超えた何らかの新しい物理メカニズムが存在するはずです。例えば、アインシュタインの特殊相対性理論の基礎となっている「ローレンツ対称性」が高エネルギー領域でわずかに破れると、ガンマ光子が24億光年という長距離を飛行する間に、この効果が拡大されて観測可能な現象となり、「Lasso」の観測結果が説明できる。さらに、アクシオンは標準モデルの外側にある新しい粒子です。高エネルギー光子とアクシオンの間に振動があれば、「Lasso」で観測された高エネルギーガンマ光子の弱い吸収も説明できる。

結論

「ラソ」は四川省稲城県の標高4,410メートルの海子山に位置する国家の重要な科学技術インフラです。これは、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シャワー粒子検出器アレイ、78,000 平方メートルの水チェレンコフ検出器アレイ、および 18 個の広角チェレンコフ望遠鏡で構成される複合アレイです。 「Laso」は2021年7月に完成し、高品質かつ安定した稼働を開始しました。広い視野と全天候型特性を備えた、世界トップクラスの高エネルギーガンマ線検出装置です。毎日空の2/3を監視することができます。 「LASO」は今後20年以上の運用が見込まれており、将来的にはさらに多くのガンマ線バースト現象を捉え、ビッグバン以来最も激しい天体爆発現象の探査においてさらなる進歩を遂げると期待されている。

制作：中国科学普及協会

著者: 陳松燦、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員

制作：中国科学技術デジタルメディア株式会社