素粒子“アクシオン”が正体？ 原始惑星系円盤の偏光観測からダークマターの正体に迫ってみる

原始惑星系円盤の偏光パターンの調査から、“ダークマター”の候補の1つである“アクシオン”と呼ばれる素粒子の性質に強い制限を付ける成果が得られたそうです。


見えないけど重さはある仮想上の物質“ダークマター”の正体

銀河に含まれている星や星団の運動速度から求めた銀河の質量は、銀河全体の明るさから星やガスの総量を求めて導いた質量に比べて10倍以上大きな値になることが知られています。

このことから考えられるのが、光などの電磁波を出さずに重力だけを及ぼす物質の存在。
それが、質量を持っているけど光学的に直接観測できないとされる仮想上の物質“ダークマター（暗黒物質）”です。
　　銀河を構成する星がバラバラにならず形をとどめている原因を、
　　光を放射しない物質の重力効果に求めたのが“ダークマター説”の始まり。

宇宙には“ダークマター”が大量に存在しているはずですが、その正体は不明のまま…

観測や理論から様々な候補が考えられていて、その中の1つが今回取り上げる“アクシオン”と呼ばれる素粒子です。

“アクシオン”は“ひも理論”などの高エネルギー理論から存在が予言されている素粒子。
これまでに発見されたどの素粒子よりも軽く、光の伝播に影響を与えると考えられています。

これまで、太陽から飛んでくる“アクシオン”を地上でとらえる実験や、人工的に“アクシオン”を生成させて検出する実験が行われてきたのですが、まだ発見できていません。


光の伝播に影響を与える素粒子

今回、京都大学の研究チームが注目したのは、すばる望遠鏡で観測した原始惑星系円盤のデータ。
“アクシオン”の「光の伝播に影響を与える」という性質が、観測結果に見られるかどうかを確かめるためでした。
　　原始惑星系円盤とは、誕生したばかりの恒星の周りに広がるガスやチリからなる円盤状の構造。
　　恒星の形成や、円盤の中で誕生する惑星の研究対象とされている。

原始惑星系円盤からの光を観測すると、きれいな同心円状の偏光パターンを持っていることが分かります。

“アクシオン”には、光の偏光方向を回転させる性質があると考えられています。
なので、原始惑星系円盤から地球までの宇宙空間にも存在する“ダークマター”の正体が“アクシオン”だとすれば、原始惑星系円盤の同心円状の偏光パターンが渦巻状に乱されるはずなんですねー

原始惑星系円盤の偏光（左上）が地球へ届くまでの間に“アクシオン”の影響を受けて乱れる（右下）ことを表した概念図。

研究の結果、観測データには偏光パターンの乱れは見つからず…

これは、“アクシオン”の性質に対して、これまでで最も強い制限をかける成果であり、“アクシオン”を探索すべき観測範囲を飛躍的に絞り込めたということを意味するものだそうです。

今後さらに高精度の観測を進めていけば、“アクシオン”の兆候を発見したり、“ダークマター”の正体を解明したりできる可能性もあるのかもしれません。


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銀河進化の解明につながる？ これまでで最も遠い場所で、合体しつつある小さな2つの銀河と酸素、炭素、チリのセットを発見

131億光年彼方の銀河に存在する酸素、炭素、チリから放射される電波が、アルマ望遠鏡による観測により検出されたんですねー

酸素、炭素、チリの3種類が揃った検出例としてはこれままでで最遠の記録。

そして確認されたのが、合体しつつある2つの小さな銀河の存在。
こちらも合体中の銀河としては、観測史上最遠になるようですよ。


重元素の生成と銀河の成長

138億年前にビッグバンで誕生した直後の宇宙には、水素とヘリウム、そして少量のリチウウだけが存在していて、宇宙で最初の恒星はこれらの元素から作られました。

その後、恒星内での核融合反応によって炭素や酸素が作られ、これらの重い元素は恒星の超新星爆発によって周囲にバラ撒かれることになります。

バラ撒かれた元素の一部は、互いに結びついて微粒子（チリ）を作り、元素やチリは水素やヘリウムとともに次世代の星の材料になっていきます。

このように元素の生成には、星の誕生と死というサイクルが存在しています。
なので、初期宇宙における酸素や炭素の発見は、それ以前の時代にどのような星が誕生して死を迎えたのかを知る手がかりになるので、盛んに観測研究が行われています。

また、星の大集団である銀河は、お互いに衝突、合体を繰り返して大きくなってきたと考えられていて、こうした銀河の進化史を明らかにすることも重要な天文学の課題になります。

今回、早稲田大学の研究チームがアルマ望遠鏡を使って観測したのは、ろくぶんぎ座の方向131億光年彼方に位置する（131億年前の宇宙に存在する）銀河“B14-65666”。

研究チームは、これまでにも宇宙誕生から数億年以内という初期宇宙の銀河を観測して、銀河の形成と成長の過程を明らかにする研究を進めてきました。

観測の結果、この銀河に存在する酸素、炭素、チリが放つ電波の検出に成功。

これまで、アルマ望遠鏡などによる観測で、他の遠方銀河でも酸素やチリの電波は検出されていました。
でも、3種類の物質が放つ電波が揃ってとらえられたものとしては、今回の観測が最も古い時代の（最も遠い）天体になるようです。

合体銀河“B14-65666”の疑似カラー画像。 アルマ望遠鏡で観測したチリ、炭素、酸素の分布をそれぞれ赤、黄、緑で、 ハッブル宇宙望遠鏡で観測した星の分布を青で表している。

2つの銀河が衝突し合体しつつある

銀河“B14-65666”は、これまでに行われたハッブル宇宙望遠鏡による赤外線観測で、ほぼ同じ規模の2つの銀河で構成されていることが明らかになっていました。

今回の観測で確認されたのは、酸素、炭素、チリのいずれもハッブル宇宙望遠鏡が撮影した2つの銀河の位置に塊を形作って存在していたこと。

また、電波の波長の引き伸ばされ方を調べることで、2つの銀河が地球からほぼ同じ距離にあることが確かめられ、これらの銀河が実際に並んで存在していることもはっきりと示されることになります。

これら、複数のデータと解析の結果から分かってきたのは、この銀河が衝突・合体しつつあるということでした。

アルマ望遠鏡による観測結果をもとに描かれた“B14-65666”のイメージ図。

さらに、研究チームが導き出したのは、2つの銀河に含まれる星の総質量が太陽約8億個分に相当すること。
天の川銀河はおよそ1000億太陽質量なので、“B14-65666”は非常に小さい銀河だと分かります。

その一方で明らかになったのが、この銀河では天の川銀河の100倍ほどのペースで星が生み出されていることでした。
これは、130億年以上昔の宇宙に存在する銀河の中では大きな値になり、同時代の一般的な銀河よりも星形成活動が活発だといえます。

そして、星形成が活発になる要因の1つとして挙げられるのが、銀河の衝突・合体なんですねー

銀河が衝突すると、それぞれの銀河に含まれていたガスが圧縮され、星が生まれやすい状況が作られます。

“B14-65666”は、2つの銀河が接するほど近くにあること、活発な星形成活動を起こしていることから、まだ小さな2つの銀河が互いに衝突し合体しつつあるところであると結論付けられることになります。

このような合体銀河は、これまでにも数多く見つかっていて、その中でも“B14-65666”は最古の（最も遠い）ものでした。

初期の宇宙に合体しつつある銀河“B14-65666”がとらえられたことは、銀河進化の歴史の始まりをひも解くという意味でも重要な成果になります。

これほど遠方の銀河からの酸素、炭素、チリを、初めて全部そろえることが出来たのは快挙といえます。
今後研究チームは、窒素や一酸化炭素分子を検出し、銀河の形成と進化や、その中での元素・物質の蓄積過程の解明を目指すそうですよ。


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衛星エウロパ表面の黄色い模様の正体は、地下の海からやって来た塩なのかも

表面が3キロに及ぶ氷で覆われている木星の第2衛星エウロパ。
このエウロパは木星の潮汐力を受けることで、揺れ動かされ摩擦で熱が生じ、星の内部が熱くなっているんですねー

この熱により地殻下では氷が解け液体の水が存在していて、そこには生命が存在するかもしれないと考えられています。

今回明らかになったのは、このエウロパの表面に見られる黄色い模様が、海水の塩分の主成分で食塩としても利用されている塩化ナトリウムであること。

地下にあると考えられている海から噴出した物質でできているようです。


表面で検出された硫酸マグネシウムは地下にある海からやって来た

1979年に木星に接近通過したNASAの惑星探査機“ボイジャー”や、1995年から7年間にわたって木星の周回観測を行った探査機“ガリレオ”のデータから、木星の衛星エウロパの氷の地殻の下には塩分を含んだ液体の水の層“地下海”が存在すると考えられています。

1997年に“ガリレオ”が撮影したエウロパ。 紫・青・赤外線の3波長で撮影された画像から合成されている。 左は自然な色調を示したもので、右は微妙な色の違いを強調したもの。 左半球の黄色っぽい領域が“タラ領域”。 右半球に見られる褐色の領域は、水和塩や成分不明の赤い物質に覆われている。 青みがかった白い部分は、ほとんどが水の氷からなっている。

こうした推測は、赤外線の分光観測データから導かれたものでした。

“ガリレオ”は赤外線分光計でエウロパ表面の分光観測を行い、水の氷と硫酸マグネシウム（入浴剤で使われるエプソムソルトの主成分）と思われる物質のスペクトルを検出。

エウロパの氷の地殻は地質学的に若く、過去の地質活動の痕跡がたくさん残っているので、この塩類は地下海に由来するのではないかと考えられてきました。


可視光線分光観測で分かってきたこと

これまでの惑星や衛星の分光観測では、興味深いスペクトルはすべて赤外線の波長域にあると考えられてきました。
それは、研究者が探す分子の大半は赤外線を放射するからです。

ただ、可視光線のスペクトルについては、エウロパの表面を高い精度で観測した例は過去に無く、“ガリレオ”にも可視光線の分光計は搭載されていないので、観測は近赤外線分光計だけで行われています。

今回の研究で用いられているのはアメリカ・ハワイのケック望遠鏡。
より高い波長分解能でエウロパの可視光線分光観測を行ってみると、硫酸マグネシウムだと思われていた物質は別のものである可能性が出てきます。

“ガリレオ”の観測で検出されたと思われていた硫酸塩の吸収線が、予想された波長域に全く見つからなかったんですねー

ここで研究チームが考えたのが塩化ナトリウムの可能性。
でも、塩化ナトリウムの吸収線は赤外線の波長域にはほとんど存在していませんでした。


エウロパ表面の黄色い模様の正体は放射線を受けた塩化ナトリウム

一方、NASAジェット推進研究所で行われたのは、エウロパに似た条件の下で海の塩に放射線を照射する実験でした。
塩化ナトリウムに放射線を当てるとわずかに黄色味を帯びた色に変わり、可視光線の分光分析で検出できるようになることを発見しています。

これは、放射線によって結晶に格子欠陥ができて色を帯びるもので、色の悪い宝石に放射線を当てて人工的に色付けする処理などでもこの現象が応用されています。
　　木星の衛星エウロパ、表面の筋模様は塩でできている？
　　　　

そして、この黄色い色はエウロパ表面の“タラ領域”と呼ばれる地域の色によく似ていました。

そこで研究チームは、ハッブル宇宙望遠鏡を使ってエウロパの可視光線での分光観測を実施。
すると、450nmの波長（紫～青）にはっきりとした吸収線を同定することが出来ました。

この波長は放射線を受けた塩化ナトリウムのスペクトルに正確に一致。
これによって、“タラ領域”の黄色い色は放射線を受けた塩化ナトリウムによるものであることが確認されます。

20年以上も前から、ハッブル宇宙望遠鏡を使えばこうした分析はできたはず…
でも、誰もエウロパを調べようとは思わなかったんですねー

今回の発見は、この塩化ナトリウムが地下海からもたらされたものだと保証するものではありません。
単に氷とは違う物質が、エウロパの氷地殻に積もっているという証拠にしかなりません。

でも、研究チームが考えているのは、エウロパを地球惑星化学の面から再評価する必要があるということ。

硫酸マグネシウムであれば、単純に地下海の海底の岩石から海水中に溶けだしたものと考えられます。
でも、塩化ナトリウムがあるということは、地下海の海底で熱水活動が活発であることを示しているのかもしれません。

つまり、エウロパはこれまで考えられていたよりも、ずっと地質学的に興味深い天体なのかもしれません。


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予想外に小さな銀河中心ブラックホールを発見

矮小銀河“NGC 4395”の中心に存在するブラックホールの質量が、わずか約1万太陽質量しかないことが分かってきました。

この発見は、中心ブラックホールと母銀河の関係を理解する上で、新たな情報をもたらしてくれるのかもしれません。


矮小銀河の中心部にも必ず中心ブラックホールは存在する？

りょうけん座の方向約1400万光年の距離に位置する矮小銀河“NGC 4395”。
この銀河の中心に位置するブラックホールの質量は、これまでの予想よりもずっと小さいようです。

今回、韓国・ソウル大学の研究チームが、このブラックホールの質量が約1万太陽質量しかないことを突き止めたんですねー

現在の天文学では、天の川銀河と同規模以上の全ての銀河の中心には、太陽の数百万倍から数十億倍もの質量を持つ“超大質量ブラックホール”が存在すると考えられています。

さらに知られているのが、質量が大きな銀河ほど中心ブラックホールの質量も重いという比例関係があること。

でも、“NGC 4395”のような矮小銀河の中心部にも、必ず中心ブラックホールがあるのかどうかについてはまだ分かっていませんでした。
　　矮小銀河は数十億個以下の恒星からなる小さな銀河。
　　天の川銀河には2000億から4000億個の星が含まれている。

矮小銀河にも中心ブラックホールが存在するのでしょうか？
もし、存在するなら“超大質量ブラックホール”の場合と同じように、ブラックホール質量と銀河質量に相関関係があるのでしょうか？

この答えが得られれば、“超大質量ブラックホール”が初期宇宙でどうやって作られたかというメカニズムそのものを理解することに役立つかもしれないんですねー


降着円盤から放射される光を利用してブラックホールの質量を測定する

今回研究チームが“NGC 4395”のブラックホールの質量を求めるために用いたのは“反響マッピング”という手法。

この手法では、ブラックホールの周りにある“降着円盤”と呼ばれる構造から出る光を観測することで、ブラックホールの質量を決めることができます。

“降着円盤”とは、ブラックホールの重力で引き寄せられた物質が高速で回転している円盤で、極めて強い光を放射し、また光の強さが大きく変わるという性質があります。

降着円盤から放射された光が、円盤からずっと離れた場所にある希薄なガス雲“広輝線領域”を通り抜けるとき、ガス雲の原子が電離され特有の波長の輝線スペクトルを持つ光が放射されることになります。

降着円盤からの光の強さが変わると、“広輝線領域”から出る輝線の強さも少し遅れて同じように変動するので、この現象は光のエコーのようなものなんですねー

この遅れを想定して見積もることが出来るのが、ブラックホールから“広輝線領域”までの距離。
さらに、“広輝線領域”から出る輝線スペクトルの幅を測定すると、この領域のガス雲がブラックホールの重力場の下で公転する速度も知ることが出来ます。

こうして、“広輝線領域”までの距離と“広輝線領域”の公転速度が分かれば、あとはニュートンの万有引力の法則から、中心ブラックホールの質量を求めることが出来るというわけです。

“NGC 4395”の中心ブラックホールの質量を求めた観測のイメージ図。 降着円盤から地球に届く光の時間変動（青色のグラフ）と、“広輝線領域”のガス雲から放出される水素の輝線の時間変動（赤色のグラフ）の時間差を観測することで、ブラックホールから“広輝線領域”までの距離が分かる。 これと、輝線の線幅から得られた“広輝線領域”の公転速度を組み合わせて、ブラックホールの質量が決まる。

軽い中心ブラックホールでも母銀河に影響を与えるのか

今回研究チームでは、アメリカ・MDM天文台などで観測したデータから、降着円盤の光が“広輝線領域”に達するまでの時間を83±14分と計算。

また、アメリカ・ハワイのジェミニ北望遠鏡に搭載されたGMOS分光計で高精度のスペクトル観測を実施して、“広輝線領域”の公転速度を秒速400キロと見積もります。

これらの結果から導かれたのが、“NGC 4395”の中心ブラックホールの質量が約1万太陽質量だということ。

この値は過去の推定値の約40分の1という軽いもので、反響マッピングで求められたブラックホールの質量としては、過去最少の値でもあるんですねー

今回の研究結果は、私たちが詳しく知っているブラックホールのグループに、新たなメンバーを加えるものになるのかもしれません。

ブラックホール・フィードバックと呼ばれる研究分野では、銀河の中心ブラックホールが、その重力の影響圏を超えて母銀河全体の性質にも影響を与えるという現象について研究が行われています。

今回の成果が、どの大きさのブラックホールから母銀河に影響を与えるのかを理解する上で役立つ可能性もあります。

銀河中心よりずっと遠い場所に位置する星々にとっては、自分が属している銀河に中心ブラックホールが存在することすら知ることはできません。
でも、実際にはどういうわけか、中心ブラックホールは非常に大きなスケールにわたって母銀河に影響を与えています。

小さなブラックホールを持つ矮小銀河にも、この作用が当てはまるのかどうかは分かっていません。
今回の観測結果によって、この関係に新たな情報がもたらされることになるといいですね。


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私たちの生活に深刻なダメージを与えるスーパーフレア。実は太陽でも起こりうる現象だった。

若い恒星でしか起こらないと考えられてきた“スーパーフレア”が、太陽でも起こりうることが統計的な研究から分かってきました。

私たちの生活にも大きな影響を及ぼすことがある太陽表面の爆発現象“太陽フレア”。
もし、太陽で通常の数百から数千倍もの大規模爆発“スーパーフレア”が起これば… 地球は無事でいられるのでしょうか。


“太陽フレア”より大規模な爆発現象“スーパーフレア”

太陽の大気で発生する爆発現象“太陽フレア”では、磁気エネルギーが解放されて膨大な光や熱が放出されます。

大規模な太陽フレアが発生すると地球付近にも影響が及ぶことがあり、オーロラが見られたり、人工衛星や通信、送電施設に被害が生じたりします。

太陽以外の恒星でもフレアは発生していて、記録に残る最強の“太陽フレア”の数百倍から数千倍ものエネルギーを発生させる“スーパーフレア”を起こすものもあります。

こうした“スーパーフレア”は、ほぼ若く活発な恒星にしか起こらず、太陽では発生しないと考えられてきました。

太陽に“スーパーフレア”が発生すれば地球にも大きな影響が及ぶ。

“スーパーフレア”は太陽でも起こりうる現象

今回の研究でアメリカ・コロラド大学ボルダー校の研究チームは、太陽と同タイプの恒星で発生した43の“スーパーフレア”現象を統計的に調査。
研究には、ヨーロッパ宇宙機関の位置天文衛星“ガイア”やアメリカ・アパッチポイント天文台の観測データが使われています。

その結果分かってきたのが、若い星ほど“スーパーフレア”を起こしやすいが、誕生から46億年経った太陽のような星でも全く起こらないわけではないということ。

研究チームによると、若い星は毎週のように“スーパーフレア”をお越すのに対し、太陽のような星の場合には数千年に1回ほど…
でも、今後100年間で起こる可能性はゼロではないようです。

1000年前なら太陽で“スーパーフレア”が起こったとしても綺麗なオーロラが見られるぐらいで大した問題は無かったでしょう。

でも、現在の地球だと私たちの周りは電子機器だらけなので、生活に深刻なダメージを受けることになりますね。


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