現代の宇宙を説明する古代の信号を追いかける科学者たち
120億年前のかすかな信号は、科学者たちを最初の星へと導き、現代の宇宙、暗黒物質、そしてすべてのものの起源を明らかにするだろう。
ベッキー・フェレイラ
2019年10月10日午前1時03分
オーストラリアにあるマーチソン広視野アレイ（Murchison Widefield Array）。画像はこちら。ジョン・ゴールドスミス博士／Celestial Visions
The Murchison Widefield Array in Australia（オーストラリアのマーチソン広視野アレイ）。IMAGE DR. John Goldsmith/Celestial Visions
世界中の人里離れた場所に設置された電波アンテナは、120億年以上前に最初の星が輝いていた「宇宙の夜明け」からの同じ微弱な信号を求めて空をスキャンしています。
この信号が検出されれば、星や銀河、さらには宇宙の質量の95％を占めると考えられている謎の暗黒物質や暗黒エネルギーなど、あらゆるものの起源に関する永遠の謎に光が当てられることになります。実際、この発見は非常に重要であるため、信号を探している多くのチームのうち、少なくとも1つはノーベル賞の候補になると考えています。
英国ケンブリッジにあるカブリ宇宙論研究所の上級研究員であるアナスタシア・フィアルコフは、「誰が最初にそこに到達するかという競争はありますが、一方で協力関係や知識の共有もあります」と電話で語っている。
ゆっくりと、しかし確実に、科学者たちはこの記念すべき検出に近づいています。9月には、これまでの推定値よりも約10倍の精度で、信号が発生した時代の新しい時間枠を発表したチームがあります。昨年、別の研究チームが、これまでで最も有望なシグナルの検出の可能性を捉えましたが、その結果はまだ検討中です。
この信号は、異星人からのメッセージでもなければ、時間の果てにあるエキゾチックな物体を垣間見たわけでもありません。実は、宇宙で最もシンプルな構成要素の1つである中性水素原子から来ているのです。中性水素原子は、21センチの波長の光子を吸収したり放出したりするため、「中性水素信号」または「21センチ信号」と呼ばれています。
この古代の水素の信号は、「EoR（Epoch of Reionization）」と呼ばれる宇宙初期の時代に、初めて観測の窓を開く可能性があります。EoRとは、ビッグバンから数億年後に始まった、宇宙の歴史の中で最も濁った時代のことです。
フローニンゲン大学の教授で、LOFAR望遠鏡を使って中性水素信号を探す「LOFAR Epoch of Reionization Key Science Project」の主任研究員であるLeon Koopmansは、「中性水素が存在することはわかっているので、中性水素信号も存在するはずだ」と説明しています。
EoR以前の宇宙には星の光がなく、「宇宙の暗黒時代」と呼ばれていました。EoR以前の宇宙は星の光がなく、宇宙暗黒時代と呼ばれていました。EoR以降は、星や銀河がちりばめられ、暗黒物質とエネルギーによって形作られた、私たちが住む既知の宇宙の基本構造が実現しました。しかし、科学者たちは、暗黒時代と光に満ちた現代の宇宙とを隔てる約5億年の期間については、ほとんど何も知らない。
この近づきがたい時代を解明するには、中性水素の信号を捉えることが一番の近道です。
しかし、中性水素信号の検出は、天文学や宇宙論の中でも最も困難な課題の1つであることがわかっている。宇宙の夜明けに誕生した21cmの信号は、すでに弱いものでした。極めて長い距離と時間をかけて私たちのもとに届いたこの小さな信号は、銀河や星、星雲、地球上の電波発生装置からの大きな干渉にかき消されてしまうのです。
クープマンズ氏によると、この信号は、これらのノイズに比べて100万倍も暗いという。
「LOFARのような電波望遠鏡がこれまでに収集したすべてのエネルギーは、地球上に降り注ぐ雪片のエネルギーを超えることはありません」と彼は言います。"中性水素の信号が発するエネルギーは、それよりもまだ10万分の1です。"
すべてを照らす信号
宇宙が誕生してから10億年の間、宇宙は現在の私たちの住む場所とは大きく異なっていました。ビッグバン直後の宇宙は、あまりにも高温で高エネルギーだったため、陽子と電子が結合して安定した中性原子を形成することができず、基本的に宇宙は不透明な素粒子の超高温スープでした。
ビッグバンから約37万8,000年後には宇宙環境が冷え込み、中性水素が生成されるようになり、「再結合の時代」と呼ばれるようになりました。この時期に原子ができ始めると、宇宙が透明になり、光がランダムな素粒子に散乱されずに自由に行き来できるようになりました。この光は、宇宙マイクロ波背景と呼ばれ、宇宙で検出された最も古い光である。
宇宙が高温のプラズマから低温の凝縮ガスへと変化したとき、宇宙は暗黒時代に突入しました。この時代に観測可能な光は、宇宙マイクロ波背景と、注目の21センチ信号の2つだけだと科学者は考えている。
「アリゾナ州立大学の実験的宇宙学者であるジャド・ボウマンは、電子メールで次のように述べています。「あなたがカーラジオのFM局を切り替えるときに聞こえる雑音の99.7%は、私たちの銀河系や他の近隣の銀河の磁場の周りを回転する相対論的な電子からのラジオノイズであり、0.3%はビッグバンの残光、そして0.01%だけが21センチ信号です。
この信号はもともと、中性の水素原子に含まれる電子が、EoRの前と後にエネルギー状態を変えたときに生じたものである。この小さな電子の変化によって吸収または放出された光子は、当初は21cmの特徴的な波長を持っていましたが、宇宙の膨張によって地球に到達する頃には2～20mに伸長していることが予想されます。
最初の星が輝き始め、より高エネルギーの放射線が宇宙に降り注ぐようになると、中性の水素原子は徐々にイオン化し、電子が奪われるようになった。これは、星や銀河からの光によって、宇宙の中性水素の多くがイオン化した水素に変化したことを意味しています。現在でも宇宙の水素のほとんどはイオン化しています。
これらの光源からの光が飛び出し、中性水素がイオン化して減少すると、EoRの期間中に信号が弱くなった。
「この信号は、最初の世代の星が発したであろう光に敏感です」とフィアルコフは説明する。「最初の銀河がどれだけ効率よくガスをイオン化したか、その効率が銀河の質量やハローに応じてどのように変化するかなど、再イオン化のプロセスを知ることができます」。
再イオン化のプロセスは、数億年かけて行われ、宇宙が10億回目の誕生日を迎える頃には完了していました。再イオン化前の宇宙は暗黒に包まれていたため、当時の宇宙の構造を知る手がかりとなるものをEoRの初期に発見することは困難です。
科学者たちは、宇宙で最も古い星や銀河のいくつかを見つけることに成功しているが、宇宙の夜明けにこれらの放射状の物体を垣間見ることはまだできない。そのため、中性水素は、第一世代の星や銀河を間接的に検出することができる貴重な手段となっています。
ボウマンは、「宇宙物理学の最優先課題の1つは、最初の星や銀河の性質や進化を理解することです」と語る。「これらの天体は、初期の宇宙を一変させ、その放射によってほぼすべての原子を変化させ、最終的に地球や私たち全員を構成する元素を宇宙にまき散らした天体なのです」。
21cm信号の検出に向けた地球規模の競争
中性水素の信号を利用して、宇宙の初期の姿を研究するという考えは、何十年も前からありましたが、技術的にはここ10年ほどでその考えに追いつき始めています。
2012年に完成したLOFARは、オランダ、ドイツ、イギリス、フランス、スウェーデン、アイルランドにまたがる小さなアンテナを持つ巨大な収集エリアを持っています。この巨大な地理的範囲により、機器の誤差や地球の大気の摂動を補正して信号に磨きをかけることができるのだと、クープマンズは言います。
同じく2012年に完成したマーチソン広視野アンテナ（MWA）は、LOFARよりも小型だが、西オーストラリアの奥地に位置するため電波干渉が少ないという利点がある。MWAと同じ場所にある観測装置EDGES（Experiment to Detect the Global EoR Signature）では、すでに「これまでで最も有望な21cm検出の証拠」が得られていると、研究を主導したボウマンは言い、2018年のNature誌に掲載された。
研究チームは現在、自分たちの発見を確認するための他の測定結果を待っているところだと、ボウマンは述べています。検証の必要性は、2018年の研究が、初期宇宙の既存モデルに挑戦する驚きに満ちていたことから、特に関係している。予測された信号と実際に検出された信号との間の不一致は、「原始ガスが予想よりもずっと冷たかったか、背景放射温度が予想よりも高かったかのどちらかである」ことを示唆していると、ボウマンのチームは研究で述べている。
「私たちが知っている標準的な宇宙物理学では、この現象をどう説明していいかわかりません。「とフィアルコフは言います。「この現象を説明するためには、新しいモデルを追加しなければなりませんが、それはまだ自然には見えません。
それらのモデルの中には、宇宙の夜明けに検出された予想以上に寒い温度を、暗黒物質が引き起こしたのではないかと示唆するものもあります。「EDGESのプロファイルの深さについて提案された説明から、宇宙の夜明けには暗黒物質の性質を解明する秘密があるかもしれないことがわかりました」とボウマンは言います。
このような宇宙の宝の山の魅力に惹かれて、南アフリカの北岬、チベットの山中、南極などに中性水素信号を探索する観測所を建設しようという動きが出ている。また、宇宙観測所を打ち上げて、軌道上や月の裏側から、さらに古い信号を探そうという提案もいくつかあります。
最初の星が形成される前の暗黒時代の信号を観測するのは非常に興味深いことですが、それらの信号は電離層に阻まれて地上からは観測できません」とフィアルコフは言う。「電離層は地球の大気の鏡のような役割を果たしています。電離層とは、地球の大気の層のことです。「電離層は、宇宙からやってくる信号を映し出す鏡のような役割を果たしており、信号は透過せず、地球からは観測できません」。
"だから、宇宙に行けばこの観測体制が整うし、もちろん月の裏側に行けば電波の干渉を避けることもできる" と付け加えた。
今のところ、中性水素を初めて検出するための競争は、世界中のチームが超高精度の電波アレイを使って古代の遺物を探すために空をスキャンしながら、惑星面で続いています。さらに、いくつかのツールもこの探査に加わる予定です。
ボウマンによると、最良の信号候補を検出した装置の次世代版であるEDGES-3は、2020年に運用を開始する予定です。また、南アフリカにあるHERA（Hydrogen Epoch of Reionization Array）と呼ばれる特殊な望遠鏡もデータ収集の準備を進めています。長年にわたって信号を探索してきたカリフォルニア州のオーエンス・バレー長波長アレイは、2018年の検出結果が得られた時代をターゲットにしてアップグレードされています。
ボウマンは、これらのプロジェクトのいずれかが今後数年以内に信号を検出することを期待しているという。"私たちは、これらの測定を行う方法について非常に多くのことを学びました。"あとは、学んだことを実践するだけです。"
同じように、MWA、LOFAR、南アフリカのMeerKATなどの観測所は、電波望遠鏡の母体となるスクエア・キロメートル・アレイ（SKA）の建設にも貢献しています。
平方キロメートルの配列
この施設は、南アフリカとオーストラリアに設置された数百万個の電波アンテナで構成され、現代の観測所の50倍の感度を持つ大陸間観測所を形成します。現在、2020年代後半の運用開始を目指していますが、その最大のミッションの一つがEoRの探査です。
Koopmansは、「宇宙マイクロ波背景の検出に匹敵する（実際にはもっと難しい！）、検出そのものがすでに素晴らしいものになると思います」と語っています。「自然の素晴らしいところは、いつも私たちを驚かせてくれることです！」とKoopmansは言います。
どのチームが最初に画期的な検出をしたかは別にして、このように増え続ける電波観測所の軍隊は、暗黒時代から星明かりのある現代までの宇宙の変遷について、共同で全体像を構築することになります。
フィアルコフは、「地上でできることには、驚きと感動があります」と語る。「私たちは地球に閉じ込められていますが、はるか昔を振り返って、最初の星がどのようにしてできたのかを理解することができるのです」。
訂正 この記事の最初のバージョンでは、カリフォルニア州のオーエンスバレー長波長アレイが間もなく21cm信号の探査を開始するとし、EDGESとMWAのプロジェクトを混同していました。実際には、オーエンスバレー長波長アレーでは数年前から信号の探索が行われており、EDGESとMWAは同じ場所で行われている別のプロジェクトです。記事を更新しました。