新しいモデルは、高エネルギーニュートリノ、宇宙線、ガンマ線の起源を、超大質量ブラックホールの周囲を渦巻く強力なジェットまで追跡した。
宇宙のメッセンジャー粒子として知られるこれらのニュートリノと放射線は、膨大なエネルギーを運び、宇宙空間を途方もない距離を移動し、地球に到達した際に検出されます。しかし、その発生源は完全には解明されていませんでした。これらの小さなエイリアンは一体どこから来たのでしょうか？
現在、米国の2人の科学者が、これらの非常にエネルギーが高く謎めいた粒子の探索に取り組み、それがどのようにして、そしてどこから形成されたのかを説明できる初の理論モデルを開発した。
月曜日にNature Physics誌に掲載された論文によると、すべては超大質量ブラックホールの周囲に見られる極限状態に起因するという。こうした乱流条件下では、信じられないほど巨大なブラックホールを取り囲む強力なジェットによって、膨大な宇宙線が宇宙空間に吹き飛ばされ、ニュートリノとガンマ線が形成される。
重要なのは、この3種類の宇宙のメッセンジャー、つまり放射線とニュートリノは、エネルギーがほぼ同程度であり、研究者はこれらを結び付けて、その共通の起源であるブラックホールを解明できるということだ。
接続
この研究の共著者であり、ペンシルベニア州立大学の物理学・天文学・天体物理学助教授である村瀬耕太氏は、「測定された超高エネルギーニュートリノ、超高エネルギー宇宙線、高エネルギーガンマ線の強度がほぼ同程度であるという事実から、これらの極めてエネルギーの高い粒子に何らかの物理的なつながりがあるのではないかと考えさせられました」と述べた。
村瀬氏はメリーランド大学天文学部の博士研究員であるケ・ファン氏とともに、これらのニュートリノとガンマ線は宇宙線が宇宙空間を漂う他の粒子と衝突したときに生成されることを発見した。
これらのニュートリノとガンマ線は、事実上、宇宙線の「娘粒子」と言えるでしょう。親粒子である宇宙線は非常にエネルギーが高いため、娘粒子もそのエネルギーの一部を継承し、つまり、すべてが似たようなエネルギーを持っていることになります。これが、研究者たちに3つのニュートリノとガンマ線が関連しているという手がかりを与えました。「このことは、3つの宇宙の使者のエネルギー特性が似ているのは単なる偶然ではない可能性を示しています」と村瀬氏は述べました。
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科学者たちは活動銀河核（AGN）を観測した。AGNは銀河の中心にある明るい領域で、物質を貪り食う超大質量ブラックホールが存在する。AGNは物質を飲み込む際に、光速に近い強力な電磁エネルギージェットを放出する。これが前述のジェットであり、娘宇宙メッセンジャーを形成する宇宙線を拡散させる。
「最もエネルギーの高い宇宙線は活動銀河核の強力なジェットによって生成され、フェルミ加速機構や磁気再結合プロセスによって加速されます」と村瀬氏はThe Registerに説明した。
彼らは、AGNからの宇宙線が銀河団内と宇宙空間をどのように移動するかを計算し、粒子衝突によって生成されるニュートリノとガンマ線の数を算出した。驚いたことに、モデルから得られた出力と強度の測定値は、宇宙で観測されるものと一致することがわかった。
「私たちの研究は、活動銀河核やその周囲、例えば銀河団や銀河群から放出される超高エネルギー宇宙線が、超高エネルギー宇宙線のスペクトルと組成を説明できることを示しています。また、地上実験で発見された未解明の現象の一部も説明できる可能性があります」とファン氏は述べた。
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地球では、南極にあるアイスキューブ・ニュートリノ観測所が、100万メガ電子ボルトを超えるエネルギーを持つニュートリノ事象を検出しました。望遠鏡は、可視光線の光子の10億倍以上のエネルギーを持つガンマ線を観測しました。
村瀬氏とファング氏のモデルは、これらの高エネルギーは宇宙線と銀河に含まれるガスとの粒子衝突の際に達成されると説明しています。
「この発見は、これら3つの宇宙のメッセンジャーが、同じ種類の天体物理学的源と、高エネルギーニュートリノおよびガンマ線生成の共通メカニズムによって、どのように物理的に相互に関連しているかについての壮大な統一モデルを確立するためのさらなる試みへの道を開くものだ」と村瀬氏は述べた。
しかし、他にも可能性はあり、南極のアイスキューブニュートリノ観測所で記録された1000万メガ電子ボルト領域のニュートリノデータなど、いくつかの新たな謎を解明する必要があります。したがって、理論と3つのメッセンジャーデータを組み合わせたマルチメッセンジャーアプローチに基づく更なる調査は、私たちのモデルを検証するために不可欠です。®
