東京大学(東大)は1月28日、宇宙最古の光である「宇宙マイクロ波背景放射」(CMB)の偏光がわずかに回転する「宇宙複屈折」現象の観測において、無限通りに存在する観測値の候補を制限する手法を考案し、現在および将来の観測データを用いることで測定の不定性を大幅に軽減できることを解明したと発表した。

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    宇宙複屈折の回転角測定で生じる180度の位相不定性を示す概念図。(c)Naokawa, Namikawa, higgstan.com(出所:東大 Webサイト)

同成果は、東大大学院 理学系研究科 物理学専攻/同・理学系研究科 附属ビッグバン宇宙国際研究センター(RESCEU)の直川史寛大学院生、東大 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の並河俊弥特任准教授、東北大学 理学研究科物理学専攻の村井開研究員、高エネルギー加速器研究機構の小幡一平助教、中国科学院大学 杭州高等研究院の鎌田耕平特聘研究員(RESCEU 客員共同研究員兼任)らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

CMBは、宇宙誕生から約38万年が経過し、初めて光が直進できるようになった「宇宙の晴れ上がり」の際の情報を持つ最古の光だ。「ビッグバンの名残」などとも呼ばれるこの光は、約138億年の時間経過で宇宙膨張によって波長が引き伸ばされ、現在は電波領域のマイクロ波として全天から降り注いでいる。

光は粒子であると同時に波の性質を持ち、その振動方向は「偏光」と呼ばれる。現代の観測技術はCMBの偏光を捉えることができ、そこから宇宙の歴史や性質などの情報を得られる。近年の観測から、CMBの偏光方向が、約138億年の旅路でわずかに回転した兆候が指摘されており、この現象が「宇宙複屈折」と呼ばれるものだ。

この回転の背後には、標準理論を超えた未知の物理が潜むとされる。特に、ダークマター候補の1つであり、ダークエネルギーとの関連も指摘される理論上の素粒子「アクシオン様粒子」が、その有力な起源として注目を集めている。

宇宙複屈折の回転角度を正確に測定することは、未知の物理理論を解明する上で極めて重要だ。CMBの信号にはT(温度)、E(電界成分)、B(磁界成分)の3種類があり、それらの相関から宇宙に関する情報を引き出せる。中でも「EB相関」は左右非対称な現象に敏感なため、宇宙複屈折の観測に不可欠な指標だ。これまでの報告では、この回転角は約0.3度とされていた。

  • 理論計算によるEB相関の例

    理論計算によるEB相関の例。一見すると重なって見えるが(上)、矢印で指された左端領域を拡大すると、回転角に応じた信号形状の差異が確認できる(下)。図は、F. Naokawa et al. " nπ Phase Ambiguity of Cosmic Birefringence " Phys. Rev. Lett. 2026/1/27, Copyright (2026) the American Physical Society に掲載された図が一部改変されたもの。(出所:東大 Webサイト)

しかし研究チームは、実際には0.3度よりも大幅に回転している可能性を排除できないことを指摘。これは、アナログ時計の針の向きだけで日時を特定しようとする状況に似ている。基準から何回転したのかがわからなければ、正確な日付までは判断できない。このように、ただ現在の状態だけでは回転数を特定できない問題は「位相不定性」と呼ばれる。

CMB観測において実測できるのは、現在の偏光の状態のみだ。偏光は「向き」ではなく「方向」の情報であるため、位相不定性は180度ごとに生じる。つまり、観測された0.3度という数値が、実際には180.3度なのか360.3度なのか、あるいはそれ以上なのかを判別できず、候補は無限に存在する可能性がある。これでは、宇宙複屈折の起源となる物理過程を特定することが困難なため、研究チームは今回、この問題を解消する手法の検討に着手したという。

そして理論的な計算の結果、EB相関の信号形状そのものに、偏光が何回転したかという情報が刻印されることが突き止められた。このことは、EB相関を詳細に解析すれば、不定性の問題を大幅に解消できることを意味する。またこの手法は、日本も参加する、2025年3月にファーストライトが行われた国際共同プロジェクトの「サイモンズ天文台」や、2032年度の打ち上げを目指すJAXA主導の国際協力によるマイクロ波背景放射偏光観測宇宙望遠鏡「LiteBIRD」など、次世代のCMB観測において、宇宙複屈折をより詳細に研究する際の鍵になることが期待されるとした。

さらに、位相不定性を考慮すると、本来は影響を受けないと考えられていた「EE相関」にも、宇宙複屈折の影響が及ぶことが新たに発見された。EE相関は、宇宙の原子がどの程度電離したかを示す「光学的厚み」を決定する重要な観測量である。したがって、今回の研究成果は、将来の光学的厚みの推定値に修正を迫る可能性があるという。この点について、研究チームはさらに詳細な研究を進めているとしている。