宇宙の謎に迫る！ 3つの高エネルギー宇宙粒子の起源を説明する理論モデルの開発

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本記事は、How Different Types Of High-Energy Space Particles Were Formed?を
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約3分3秒

・宇宙における超高エネルギー粒子の起源について、半世紀にわたる謎を解くモデルが開発された。
・このモデルは、極限エネルギー宇宙線、高エネルギーガンマ線、高エネルギーニュートリノの起源を説明し、これら3つの宇宙粒子がどのように相互に結びついているかを説明する。
・これらの粒子の起源を、その環境に埋め込まれたブラックホールのジェットと結びつけるモデルである。

宇宙素粒子物理学では、極限エネルギー宇宙線、高エネルギーガンマ線、高エネルギー・ニュートリノの形成は最大の未解決問題のひとつでした。

ペンシルベニア州立大学とメリーランド大学の物理学者たちは、これらすべての高エネルギー宇宙粒子を、その環境に埋め込まれたブラックホールのジェットと結びつける新しい理論モデルを考え出しました。これらの宇宙粒子はすべて、宇宙線が超巨大ブラックホールのジェットによって加速された後、宇宙空間に放出される可能性があります。

このモデルは、詳細な数値計算に基づいて、地上や宇宙の検出器によって個々の粒子のエネルギーが10桁以上も異なるにもかかわらず、これら3種類の宇宙メッセンジャー粒子の宇宙への入力パワーが驚くほど似ている理由を説明しています。

高エネルギーガンマ線と高エネルギーニュートリノは、宇宙線の娘粒子として粒子衝突によって形成されるため、親粒子の重要なエネルギー収支を受け継ぐことができるとしています。

3つの宇宙粒子のエネルギー

宇宙で最もエネルギーの高い粒子は、超高エネルギー宇宙線です。いずれも、世界最強の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器でも発生させることができないほど、とんでもないエネルギーを持っています。

ニュートリノは、物質とほとんど相互作用しない不思議な粒子です。これまでに南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所で、100万メガ電子ボルトの高エネルギーニュートリノが発見されています。

電磁波の中で最もエネルギーが高いのはガンマ線です。このエネルギーは、フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡で観測された可視光線の光子の10億倍以上の強さです。

物理学者たちは、これらのデータを数値シミュレーションで組み合わせ、荷電粒子の運命を調べています。

提案されたモデル

この新しいモデルでは、活動銀河核の強力なジェットによって宇宙線が加速され、宇宙線は後に通常ジェットの端にある電波ローブを通って逃げます。このモデルは、銀河団を取り巻く磁場の存在下で、宇宙線の伝播と銀河団内部の相互作用を測定するものです。最後に、この宇宙線の伝播と相互作用のデータを、宇宙のあらゆる天体の寄与を統合してシミュレートします。

具体的には、超高エネルギー宇宙線の観測により、銀河系外宇宙線のいくつかの特徴的な性質が明らかになりました。

1.軽粒子のスペクトルに100PeV近いハードニングが見られる。
2.オージェデータにより、1019eV付近で軽元素から中重元素への遷移が見られる。

粒子質量の指標の直接計算は異なる実験間で一貫していますが、超高エネルギー宇宙線の組成の解釈はまだ議論されているところです。これらの特徴は、単純な収束理論では考慮されていませんでした。この研究は、より大きな構造に埋め込まれたブラックホールのジェットがこれらの観測結果を調和させるという、確固たる天体物理学的モデルを提供しています。

この高エネルギー宇宙粒子の形成に関する古くからの謎に関わっていると思われるもののひとつが、銀河の中の「活動銀河核」です。活動銀河核は、中心の超巨大ブラックホール付近にある極端に放射線の強いコア領域からなるものです。

活動銀河核の中には、巨大な相対論的ジェットを持つものがあります。このジェットで生成された高エネルギー宇宙粒子は、光速で宇宙空間に放出されます。

これは、超高エネルギー宇宙線のスペクトルや組成を説明することができるうえ、地上の実験で発見された未解決の現象をも説明することができます。

同時に、1億メガ電子ボルトを超える高エネルギーニュートリノスペクトルは、銀河団内のガスと宇宙線との粒子衝突によって説明することができます。さらに、銀河間空間から放出されるガンマ線は、特定の種類の活動銀河核に関連しない高エネルギーガンマ線背景の謎の部分を説明することができます。

今後の課題は？

このモデルはまた、高エネルギーガンマ線と高エネルギーニュートリノの生成という共通のメカニズムによって、これらの宇宙粒子が物理的につながっていることを説明しようとするものです。しかし、新たな謎は数多くあり、アイスキューブ・ニュートリノ観測所が捉えたニュートリノのデータなど、他の可能性も明らかにする必要があります。

したがって、この新しいモデルを検証するためには、3つのメッセンジャーデータをすべて使って情報と理論を組み合わせたマルチメッセンジャーメカニズムに基づくさらなる研究が非常に重要です。

KM3Net、IceCube-Gen2、次世代チェレンコフ望遠鏡アレイやガンマ線望遠鏡など、より高度なニュートリノ検出器で観測しながら、このモデルを厳密に検証していくことが期待されます。これにより、高エネルギー宇宙粒子の物理、そして私たちの宇宙をより深く理解することができるようになるでしょう。