千葉大など、ニュートリノ多重事象観測で高エネルギー源の絞り込みに成功

千葉大学とIceCube Collaborationの両者は4月8日、宇宙ニュートリノの「多重事象」を用いた新しい観測手法と可視光観測を組み合わせたマルチメッセンジャー観測を用いて、超新星爆発などの爆発的天体現象が宇宙にどの程度存在し、爆発的天体現象が宇宙全体の放射エネルギーの総量を担っているのかを調べた結果、高エネルギーの供給源であるための必要条件を明らかにしたと共同で発表した。

衝撃波との相互作用による超新星(Shock-Interacting Supernova)のイメージ(千葉大がKavli IPMUより提供を受けた画像)。超新星爆発の衝撃波が、爆発前に放出された星周物質と衝突することで、強い電磁波や高エネルギー粒子が放射される(出所:千葉大プレスリリースPDF)

同成果は、430名弱の国内外の研究者が参加する国際共同研究チームのIceCube Collaborationによるもので、千葉大ハドロン宇宙国際研究センターの清水信宏助教が今回の研究を主導した。詳細は、米天体物理学専門誌「The Astrophysical Journal」に掲載された。

ニュートリノ放射天体は、超高エネルギー宇宙線にエネルギーを供給する天体だ。「IceCubeニュートリノ観測実験」(IC実験)は2011年から観測を開始し、取得したその膨大なデータを解析することで、高エネルギーの宇宙ニュートリノの総量や、宇宙ニュートリノが持つエネルギーの総和が解明されつつある。

しかし、IC実験でエネルギー供給源として同定された天体は、現在までに2つの活動銀河に限られている。有力な高エネルギー供給源天体の候補としては、星周物質に覆われた重力崩壊型超新星爆発や、超大質量ブラックホールの潮汐力で星が破壊される潮汐破壊現象などの爆発的天体現象が挙げられる。しかし、これらの候補天体を検証するには、以下の2つの課題が存在した。

爆発的天体現象は、発生時期と場所が予測不能
可視光でも明るく輝くため、ニュートリノ検出後の方向を光学的に追観測するマルチメッセンジャー観測が有効だが、可視光観測ではニュートリノ放射と無関係な変光星やIa型超新星も含まれてしまう

これらの課題を克服したのが、ニュートリノ多重事象探査だ。エネルギー供給源候補天体は、数日から1か月程度の期間に爆発的な輝きを示すと予想される。ニュートリノ多重事象とは、その期間に同一方向から複数のニュートリノを検出することを指す。

IC実験は常時全天観測を行うため、あらゆる方位からの多重事象を一定感度で検出可能だ(課題1の克服)。比較的長い30日間の爆発期間にも対応しており、これまでの同実験による膨大な観測データから多重事象が探索された。その結果、2020年6月に同一方向から3つのニュートリノが飛来した「3重信号」をはじめ、複数の多重事象が発見された。

3重信号の候補天体として活動銀河核「FBQSJ0001-0011」が浮かび上がったが、IC実験の現在の感度は15億光年に限られるため、約85億光年先の同天体は対象外だった。このように15億光年という短い感度を逆手に取ることで課題2を克服し、マルチメッセンジャー観測の可視光観測における無関係な背景天体の除去が実現された。

2020年6月に観測されたニュートリノ3重信号の到来方向分布図。黄色の星印が3事象それぞれの到来方向(推定値、誤差は含まない)、緑の領域が3重信号から見積もられた爆発天体(ニュートリノ放射天体)の方向の確率分布を示す。紫の楕円は、68％の確率でこの範囲内に存在することを示す境界線。この領域に近い既知の天体としては、NASAの宇宙ガンマ線望遠鏡「フェルミ」が観測した活動銀河核「FBQSJ0001-0011」(水色の菱形)があるが、約85億光年と遠距離のため、候補天体とはならない(出所:千葉大プレスリリースPDF)

従来のIC実験での観測から、宇宙全体に存在するニュートリノの総量はすでに判明していた。今回の多重事象探索では検出数が多くなかったため、探索すべき未知の天体種は、数は多いが個々の明るさは特筆すべきものではない「多数派仮説」が支持される結果になったとする。爆発天体の数は、10億立方光年あたり年間で0.03個以上という条件が導き出された。超新星爆発はこの条件を満たす一方、潮汐破壊現象の場合、宇宙線陽子を超高エネルギーまで加速する強力な種類は1桁少ない。もし潮汐破壊現象がニュートリノ放射源であるならば、プラズマジェットを伴わない多数派の種類である必要があるとした。

研究チームは今回の成果について、本格的なマルチメッセンジャー観測の幕開けを示すものだという。研究チームは今後、過去のデータに加え、将来的に取得されるデータを即時に解析する体制を目指すとしている。

これまでIC実験では、興味深いニュートリノ事象が観測されるとアラート(速報)が発せられ、他の望遠鏡による追観測が行われてきたが、ニュートリノ放射とは無関係の天体も多く検出されてしまうため、これまでに追観測が成功したケースはごくわずかしかない。放射天体の距離を絞り込める多重事象観測は、この困難を回避し、追観測による天体同定を容易にする。さらに、可視光観測の情報とニュートリノ多重事象観測から得られる距離情報を組み合わせることで、エネルギー供給源天体に関する多様な仮説の検証が可能となる。実際、この戦略に基づき、東北大学を中心とする研究チームが、米国パロマ―山で運用中の「広視野可視光観測施設」を用いて、今回の研究で報告された3重信号の追観測を実施中とのこと。なお、ニュートリノ多重事象観測によるアラート発出システムの運用は、2025年度に開始予定としている。