天文学新時代へ！　宇宙論的距離におけるマルチメッセンジャー天文学の新たな展開 ―重力レンズ効果が解き明かした、約110億年前の爆発的な星形成活動とニュートリノのつながり―

アルマ望遠鏡などを用いた観測により、高エネルギーニュートリノの到来方向に、約110億年前の宇宙に存在する極めて明るい銀河「シャドウ・ブラスター」（Shadow Blaster）が発見されました。さらに、複数の波長域による観測から、ブラックホール活動ではなく、星形成活動がニュートリノ放射に寄与していることも特定されました。まだ解明されていないニュートリノの起源にマルチメッセンジャー天文学で迫る、画期的な観測的証拠です。

宇宙から飛来する高エネルギーニュートリノの放射源として、比較的近い距離にあるいくつかの活動銀河がこれまでに特定されています。しかしその天体の数は、宇宙全体から届くニュートリノの総量を説明するにはとても足りません。理論的には、宇宙初期に激しく星を生み出していた銀河で大量に生成された宇宙線が、ニュートリノ背景放射の主役になる可能性が予測されてきました。しかし、宇宙論的な距離にあり分厚い塵（ちり）に隠されている銀河を、一つ一つのニュートリノ事象と観測的に結び付けることは、極めて困難でした。

台湾で研究を進める浦田裕次（うらた・ゆうじ）氏を中心とする国際研究チームは、南極に設置されたニュートリノ観測装置「アイスキューブ」（IceCube）が2021年に検出したニュートリノ事象「IC 210922A」の到来方向に、アルマ望遠鏡をはじめとするさまざまな望遠鏡を向けて追跡観測を行いました。その結果、約110億年前の宇宙に位置する極めて明るい銀河を発見しました。こうした強力なエネルギー源である銀河は巨大ブラックホールの可能性が高く、従来知られていたニュートリノ源の候補も、ジェットを放出する活動銀河核でした。しかし、今回発見された天体は、ブラックホール特有のX線やガンマ線などの高エネルギー放射が極めて微弱なことに加え、分厚い塵に包まれているため、「シャドウ・ブラスター」と呼ばれます。

シャドウ・ブラスターは、手前にある別の銀河が引き起こす重力レンズ効果によって拡大されたことで、初期宇宙の銀河の内部構造の詳細な解析が可能になりました。アルマ望遠鏡による分子ガスのエネルギー分布の測定からは、ブラックホールに加熱された兆候もなく、純粋に「猛烈な星形成活動」によってガスが温められている可能性が高いことが判明しました。解析の結果、この銀河の中心部には、約1500光年という非常に狭い領域に、太陽の数千億倍という膨大な質量のガスと塵がぎゅうぎゅうに押し込まれたコンパクトコアが存在していました。

この極度な高密度環境が、粒子が衝突を繰り返して高エネルギーニュートリノを生成する天然の粒子加速器として機能しているのです。圧倒的な密度で星形成活動を行う銀河が数多く存在したことで、たとえ一つ一つの銀河からのニュートリノが微弱でも、宇宙を満たすニュートリノ背景放射のうち最大で20パーセント程度を占める、無視できない割合となる可能性が示されました。

天体が発する可視光線や電波のような電磁波や、ニュートリノのような粒子など、天体からやってくる複数の情報を組み合わせて宇宙の現象を解明する「マルチメッセンジャー天文学」が、初期の宇宙への新たな理解を切り開くことが期待されます。

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アルマ望遠鏡