ニュートリノ天文学

ニュートリノ天文学は空を光ではなく、ニュートリノで見る。それは天文学のうち最も若い分野であり、星の内部と遠い銀河の中心核を覗き込むことのできる唯一の分野である。

新しい使者が要った理由

天文学は何千年ものあいだ、たった一つの使者、すなわち光とともに働いてきた。のちに電波、 X 線、ガンマ線が加わったが、どれも同じ電磁場の形である。

この使者には二つの弱みがある。それは塵に飲み込まれ、ガスに散乱されるため、濃い領域からは出てこない。そして星の内部については何も語らない。そこからのエネルギーが表面に達するには、数万年かかるからである。

荷電した宇宙線も助けにはならない。磁場がそれを曲げてしまうため、到来の方向はその起源について何も明かさない。

ニュートリノにはこの二つの弱みがない。電荷を帯びていないためまっすぐ飛び、ほとんど相互作用しないため止められない。銀河の中心核から来たニュートリノは、まさにそこを指し示す。

Homestake実験以来、太陽はニュートリノで観測されてきた。 Borexinoはその核融合反応を一つずつ測定し、そのなかで2020年に CNO サイクルを検出した。これはハンス・ベーテが1939年に計算しながら、それまで誰も見たことのなかった過程である。

厳密に言えば、これは星の内部を覗き込む唯一の天文学である。

1987年2月23日、三つの検出器が数秒のうちに、大マゼラン雲の超新星から来た合わせて24個のニュートリノを記録した。

決定的な事情は、それが光より数時間早く到着したことである。ニュートリノは崩壊する星の中心核からただちに逃れるが、光はまず外層を通り抜けなければならない。

これによって新しい観測の分野が開かれただけでなく、重力崩壊の模型も裏づけられた。詳しくはSN 1987Aのページにある。

2013年、 IceCubeがペタ電子ボルトの領域のエネルギーをもつ最初のニュートリノを報告した。その天空での分布は、それらがわれわれの銀河の外から来ているに違いないことを示していた。

これによって、宇宙には地上の設備が多くの桁だけ及ばないエネルギーにまで粒子を加速する装置があることが裏づけられた。その装置が何であるかは未解決であった。

2017年9月22日、 IceCube は高エネルギーのニュートリノを記録し、 数分のうちに世界中の観測所へ自動の警報を出した。

望遠鏡がその場所へ向けられ、そこにブレーザーが見つかった。 TXS 0506+056 という名をもつ遠い銀河の活動的な中心核であり、ちょうど爆発的な増光の最中であった。

一つの宇宙ニュートリノを名前のある源に結びつけられたのは、これが初めてであった。この経過はマルチメッセンジャー天文学の模範例とされている。一つの使者が事象を告げ、ほかの使者がそれを裏づけ、補い合う観測を届けるのである。

そこで決定的だったのは物理だけでなく、組織でもあった。爆発的な増光をまだ捉えられるほど速く反応する、世界規模の警報の網である。

2023年、 IceCube は10年分のデータからニュートリノで見た天の川の地図を作ることに成功した。そこでは銀河円盤が輝いている。夜空に天の川として見えるのと同じ構造が、光ではなく粒子で描かれたのである。

南極のIceCubeと地中海のKM3NeTが、ともに全天を観測している。 2025年、 KM3NeT はおよそ 220 ペタ電子ボルトの事象を報告した。これまでに観測されたなかで最もエネルギーの高いニュートリノである。

足りないのは統計である。検出された宇宙ニュートリノの数はこれまでのところ3桁の低い範囲にとどまるが、光学天文学は数十億の天体を相手にしている。次の世代の検出器がそれを変えることになっている。

IceCube 共同研究グループほか: Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A, Science 361, eaat1378 (2018).
IceCube 共同研究グループ: Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane, Science 380, 1338 (2023).