阪大など、高エネルギーニュートリノを生成する粒子加速メカニズムを提唱

大阪大学(阪大)と芝浦工業大学(芝浦工大)の両者は7月24日、大規模シミュレーションを用いて、超大質量ブラックホール周辺に形成される衝撃波によって、粒子が効率的に加速される仕組みを解明したと共同で発表した。

超大質量ブラックホール周辺の衝撃波による粒子加速とニュートリノ生成の模式図。超大質量ブラックホール周囲のコロナでは、ガスの流れで衝撃波が形成される。その中で粒子が繰り返し往復することでエネルギーが増加し、高エネルギー粒子となる。これらの粒子は周囲の物質や光と相互作用してニュートリノを生成する。ニュートリノは外部へ放出されるが、ガンマ線はコロナ内で吸収されると考えられる。(出所:阪大Webサイト)

同成果は、阪大レーザー科学研究所のMinh Nhat Ly特任研究員、同・千徳靖彦教授、同・佐野孝好教授、芝浦工大システム理工学部の井上芳幸教授(高エネルギー宇宙物理研究室)らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国天文学会が刊行する、天体物理学の論文誌「The Astrophysical Journal」に掲載された。

ブラックホール周辺で起こる粒子加速のメカニズムとは？

ニュートリノは電子の仲間である素粒子のレプトン(軽粒子)に分類され、電荷を持たず、強い力の影響も受けないため、物質とは主に弱い力でしか相互作用しない(重力の影響は通常無視できるほど極めて小さい)。また、弱い力の作用距離が極めて短く、加えてニュートリノ自身の相互作用断面積(反応確率)も非常に小さいため、原子核や電子のすぐ近くを通過しても反応する確率は極めて低く、大半は物質をそのまま通り抜けてしまうという特徴を持つ。そのため、ニュートリノは「幽霊粒子」などとも呼ばれているのである。

ニュートリノはその生成過程によって、大気ニュートリノ、地球ニュートリノ、超新星ニュートリノ、太陽ニュートリノなどに分類され、これらを合わせた極めて膨大な数のニュートリノが毎秒、我々の身体を通過している。太陽の核融合で生じる太陽ニュートリノだけでも、1平方cmあたり毎秒約600億個が地球に降り注いでいるとされるが、人体を構成する極めて膨大なクォークや電子と相互作用することは滅多になく、容易に通過してしまうのである。

しかし、極めて希に物質と相互作用することがあり、その際に発生するチェレンコフ光を正確に捉えることで、ニュートリノの飛来方向や、そのエネルギーを推定することが可能だ。現在、南極では世界最大級のニュートリノ観測施設「IceCube(アイスキューブ)」が稼働しており、管理施設を中心とした直径約1km・深さ約1kmの地下の氷の領域内に計5160個の検出器が埋設されており、ニュートリノと周囲の氷との相互作用で生じたチェレンコフ光を捉えることで、ニュートリノの観測を行っている。

IceCubeでは、これまでに近傍の「活動銀河」から飛来したと考えられる極めて高いエネルギーを持つニュートリノが検出されていた。なお活動銀河とは、中心の超大質量ブラックホールが活発に周囲の物質を取り込んで、その中心核が極めて明るく輝いている銀河のことで、中でも母銀河全体よりも明るいものはクェーサーと呼ばれる。しかし従来の理論モデルでは、高エネルギーニュートリノが生成される場合には同時にガンマ線も大量に放出されて観測されるはずだったが、実際の観測ではガンマ線の強度が圧倒的に不足しており、この矛盾が未解決の問題となっていた。

この矛盾を説明する有力なモデルとして、超大質量ブラックホール周辺の「コロナ」と呼ばれる高温プラズマ領域が注目されている。同領域では、ガンマ線がプラズマと相互作用して高密度に吸収されるのに対し、相互作用しにくいニュートリノは外部へそのまま抜け出すことが可能だ。しかし、コロナ内部でニュートリノの元となる高エネルギー粒子がどのように加速されるのかといった明確なメカニズムについては、これまで解明されていなかった。

そこで研究チームは今回、超大質量ブラックホールに落ち込むガスの運動などによって形成される衝撃波に注目することにしたとする。衝撃波とは、超音速の流れによって生じる急激な物理状態の変化を指す。宇宙空間のように粒子同士の直接衝突がほとんど起こらない環境の衝撃波は「無衝突衝撃波」と呼ばれ、粒子と電磁場の相互作用によって形成されることが解明されている。今回の研究では、プラズマ中の粒子と電磁場の振る舞いを直接計算する最先端のシミュレーション手法を用い、衝撃波内部での粒子加速過程を詳細に解析したという。そしてシミュレーションの結果、以下の3点が新たに解明された。

粒子が衝撃波を繰り返し往復することでエネルギーを増加させる点
衝撃波のエネルギーの約10%が高エネルギー粒子に変換される点
弱い衝撃波でもこの加速過程が効率よく機能する点

さらに、この加速過程で生成される陽子などの粒子のエネルギーは、数十～数百テラ電子ボルト(1テラ=1兆)に達し、実際に観測されている高エネルギーニュートリノのエネルギー領域を十分に説明し得ることが示された。

今回の研究は、超大質量ブラックホール周辺での粒子加速の仕組みを定量的に解明した成果となる。高エネルギーニュートリノの起源という宇宙物理学の重要課題に新たな解釈を提供するほか、超大質量ブラックホール近傍の極限環境における物理過程の理解を前進させる可能性があること、さらに観測と理論に加えて第一原理シミュレーションの重要性を示したことから、重要な成果とした。特に、「弱い衝撃波でも効率的に粒子が加速される」という結果は、従来の宇宙での粒子加速に関する理解を見直す重要な契機となる可能性があるとしている。