南極にあるニュートリノ観測装置「アイスキューブ(IceCube)」。氷の中にあるセンサー(下)が、飛来するニュートリノを検知する。 Image by Icecube/NSF.

 こんにちは、小谷太郎です。何だか大変に暑い夏が日本を襲っていますが、南極は真冬です。今回は南極の氷の話です。

 2017年9月、南極の氷を利用するニュートリノ観測装置「アイスキューブ(IceCube)」のチームが、ニュートリノを検出しました。そしてこのニュートリノの放射源が「TXS 0506+056」という天体であることを突き止めたと、2018年7月13日に発表しました。ニュートリノを放射するニュートリノ天体は、これを含めてまだ3例しかありません。極めて稀で重要な発見です。

 このニュートリノとは一体全体なにものでしょうか。アイスキューブとはどんな装置なのでしょうか。ニュートリノ天体はどうしてそんなに稀で重要なのでしょうか。

ニュートリノは幽霊のような素粒子です

 ニュートリノは電荷を持たず、質量が小さく、あるんだかないんだか分からない、存在感の薄い素粒子です。しばしば「幽霊のような」素粒子と呼ばれます。

 電子や原子や中性子といった、あるんだかないんだか分からない小さな粒は、宇宙にごまんとありますが、中でもこのニュートリノは特別に影の薄い存在です。

 ニュートリノの反応性は極めて低く、物質に当てても、吸収も散乱も起きず、何事もなかったかのように通り抜けます。厚さ1光年の鉛の塊に当てても、反応せずにスルッと通過するほどです*1

*1:「スルッ」と「through(〜を通り抜けて)」をかけた高度なシャレです。

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 物質と反応せずに透過するということは、その粒子の検出が困難なことを意味します。粒子検出器というものは、粒子と検出物質との反応を利用して、粒子の存在を知るからです。

 検出が難しいため、ニュートリノの研究は簡単ではありません。質量という基本的な性質も、ニュートリノの場合はよく分かっていません。岐阜県の地下にあるカミオカンデとスーパーカミオカンデという検出器のデータによると、質量は極めて小さいですが、どうやらゼロではないようです。

 幽霊のようなニュートリノを検出する手法の一つは、巨大な検出器を用いることです。検出物質を大量に用意することによって、ニュートリノが反応する確率を高めるのです。スーパーカミオカンデも、ここで紹介するアイスキューブも、大変巨大な装置です。

10万個の太陽ニュートリノがあなたの体を通過中

太陽のX線像と紫外線像を重ねた画像。太陽は可視光のほか、このようにX線やニュートリノなども放射している。 Image by NASA/JPL-Caltech/GSFC.

 太陽は光で地球を照らし、温めてくれます。このごろ少々温めてくれすぎな感がありますが、そのエネルギー源は原子核反応です。

 太陽の中心部では、水素の原子核が4個くっついて、1個のヘリウム原子核に変わり、それとともに熱を発生する反応が起きています。この過程でついでに2個のニュートリノが誕生します。正確にいうと2個の電子ニュートリノですが、この記事ではニュートリノと大雑把に呼んでおきます。

 誕生したニュートリノは、なにしろ透過力が高いので、太陽中心から太陽表面までの70万kmをほぼ光速で突っ切り、太陽から地球までの1億5000万kmを500秒で泳ぎ渡り、地球に降り注ぎます。

 地球上のあらゆる物体はこの太陽ニュートリノの照射を昼も夜ものべつ幕無しに浴びています。その数は、1秒あたり1cm^2あたり約600億個です。ただしそのほぼ全てが、衝突も反応もすることなく、ほぼ光速で透過して飛び去ります。

 体積あたりにすると、1Lあたり2000個です。牛乳パック1Lの中には、成分表には記載されていませんが、2000個の太陽ニュートリノが添加されています。ただし2000個の全てが、ほぼ光速で通りすぎるばかりで、何の影響も残しません。

 あなたの体重がもしも50kgならば、体積もだいたい50Lなので、この瞬間に体内に存在するニュートリノは10万個です。ただし、ほぼ光速で入れ替わり続けていて、残留するものは1個たりともありません。

 検出器の中でニュートリノを何とか反応させ、残留させ、影響を残させる、というのがニュートリノ研究者の実験手法です。

カミオカンデがニュートリノ天文学を創始しちゃった

 本題のアイスキューブの前に、もうちょっと寄り道をします。アイスキューブの発見の凄さを理解するために必要な寄り道です。

 1987年、岐阜県の神岡鉱山に設置された巨大な水タンク「カミオカンデ」に、宇宙から到来したニュートリノが飛び込んで、10個ほどが検出されました。これは、大マゼラン星雲で生じた「超新星1987A」からのニュートリノでした。世界を驚かした超新星ニュートリノの検出です。

「(重力崩壊型)超新星」とは、重めの恒星が寿命の最期に起こす大爆発です。この際、凄まじい熱と光が放射されて銀河を照らしますが、一緒に膨大なニュートリノも放出されます。

 実をいうと、超新星のニュートリノの放射エネルギーは、爆発光の数十倍もあるのです。ニュートリノがほとんど物質と反応しなくて幸いです。もしもニュートリノが物質を温めたり変化させたりしたら、近所の星や生命はただでは済まないでしょう。

 カミオカンデによる超新星からのニュートリノ検出は、物理学に何重ものインパクトを与えました。地下1kmに設置された水タンクが、16万8000光年先の天体現象を検出する望遠鏡として働いたのです。

 これまで人類が天体を観測する手段は、電磁波にほぼ限られていました*2。ところが1987年、幽霊のような素粒子ニュートリノが観測手段に加わったのです。「ニュートリノ天文学」の始まりです。この時点で、太陽と超新星1987Aだけを対象天体とする天文学です。

*2:天文学には、「太陽観測は天体観測と呼ばない」という伝統があるので、太陽ニュートリノや、太陽由来の宇宙線を観測しても、天文学とは呼びません。また、太陽観測衛星は天文衛星と呼びません。

 ニュートリノ天文学は、創始と同時に、超新星爆発にともなって中性子星が誕生する様子を描き出し、超新星爆発の理論的研究を直接に証明し、ニュートリノが質量を持つことを確実にし、ニュートリノ振動という新しい物理現象を支持しました。新しい観測手段で天体を観測すると、物理学がめっちゃはかどるのです。

 カミオカンデチームを率いた小柴昌俊・東京大学名誉教授(1926-)は2002年のノーベル物理学賞を受賞しました。太陽ニュートリノを検出したレイモンド・デイヴィスJr.博士(1914-2006)との共同受賞です。

 しかし1987年以後、天体からのニュートリノはなかなか検出されませんでした。ニュートリノはさまざまな装置でしょっちゅう検出されていて、中には宇宙由来のものも混じっていることは確実なのですが、どの天体からやってきたのかバシッと分からないと、天体を観測したとはいえません。

 そうして、太陽と超新星1987Aだけが検出された状態で、ニュートリノ天文学は30年が経過しました。

アイスキューブは南極の氷でニュートリノを検出する

アイスキューブ(IceCube)がニュートリノ検出に用いる、氷の中に埋め込まれたセンサー。 Image by Jamie Yang, IceCube Collaboration.

 さてようやく本題です。アイスキューブ(IceCube)はこれまた大規模でユニークな(ミュー)ニュートリノ検出器です。

 ニュートリノの検出物質として用いるのは、南極大陸を覆う厚さ数kmの氷です。氷に深さ2.5kmの縦穴を86本掘り、それぞれに光センサーを60個埋め込みます。

 絶えず降り注ぐニュートリノは、厚さ数kmの氷などすかすか通り抜けてしまうのですが、ごくまれに、水分子中の酸素や水素の原子核と衝突反応を起こします。すると生じた光がセンサーで捉えられ、入射したニュートリノのエネルギーや方向が測定されます。

 86本の縦穴に埋め込まれた5160個の光センサーが、1km×1km×1kmの体積の氷を常に見張り、宇宙から到来する高エネルギーニュートリノを待ち受ける、というのがアイスキューブの仕組みです。1km^3の氷は約10億トンで、これはスーパーカミオカンデ2万台に相当します。

 アイスキューブは主に全米科学財団の予算によって2010年に建造され、米国ウィスコンシン大学マディソン校などからなる国際チームによって運用されています。

3番目のニュートリノ天体TXS 0506+056

 2017年09月22日20時54分30.43秒(協定世界時)、アイスキューブが1発のニュートリノを検出しました。290TeV(テラ電子ボルト)という超高エネルギーです。この検出イベントは「IceCube-170922A」と名づけられ、警報(アラート)が世界に送られました。

 一方、「フェルミ」というガンマ線観測衛星は地球を周回しつつ空からのガンマ線を見張っています。アイスキューブの警報を受け、その観測データを調べたところ、このニュートリノ到来方向(の誤差範囲内)にブレーザー天体「TXS 0506+056」があって、なおかつ、そのガンマ線放射が微妙に高まっていることを報告しました。

ガンマ線観測衛星「フェルミ」(左上)により、アイスキューブのセンサー(下)が捉えたニュートリノの出所は、ブレーザー天体「TXS 0506+056」(右上)と特定された。 Image by NASA/Fermi and Aurore Simonnet, Sonoma State University.

 ニュートリノ到来方向には無数の天体がごちゃごちゃ浮いていて、そのどれが本物のニュートリノ発生源なのか、それだけで決めることは困難です。しかし「ブレーザー」「放射が変動」というヒントがあると、ニュートリノの発生源はこの天体では、と推定できます。

 TXS 0506+056は、太陽と超新星1987Aに続く、3番目のニュートリノ天体ということになります。観測されたニュートリノのエネルギーはこの中で最大、けた違いに大きなものです。

 天文業界高エネルギー勢は、がぜん沸き立ちました。アイスキューブの報告するイベントが天体現象と関連づけられたのは初めてのことです。あらゆる波長のさまざまな望遠鏡が、これまで注目されたことのない天体TXS 0506+056に突きつけられました。

ブレーザーとは

1. 遠方の銀河内の超巨大ブラックホールで、
2. 「ジェット」と呼ばれる、光速に近い速度のプラズマ噴射を持ち、
3. そのジェットがこちらを向いている
 

ものを「ブレーザー」といいます。大変特殊な天体ですが、なにしろ宇宙は広いので、これまで数千個のブレーザーが見つかっています。

 超巨大ブラックホールに恒星などが呑み込まれる時には、恒星がぐちゃぐちゃに壊されて熱せられ、その物質の一部がジェットとなって吹き飛ばされます。

 そして、その光速近いジェットを真正面から覗き込むと、相対論効果によって、ジェットからの放射が強調されて観測されます。救急車のサイレン音が大きくなるドップラー効果の宇宙版です。

 今回の結果が示唆するように、もしも超高エネルギーのジェット噴流の中で、何らかの機構によりニュートリノが作られたならば、そのエネルギーも相対論効果で強調されて観測されます。290TeVという超高エネルギーはそうして説明できると思われます。

 この解釈が正しいかどうかは、今後ニュートリノ天体の観測例が続々と集まることによって、検証されるでしょう。

 それにしても、普段全く気づかれずに私たちの体を通過しまくっているニュートリノを、南極に設置された奇妙な装置で捕まえることができて、すると遠方銀河の超巨大ブラックホールが見えちゃったとは、何だか途方もなくてわくわくする話じゃないですか。