宇宙線研究所

高エネルギー現象の宇宙進化への影響

超新星爆発は、周囲のガスを加熱したり、吹き飛ばしたりすることで、次の世代の星形成に影響を与えます。星が作られる効率は、この超新星爆発によってコントロールされていると考えられています。銀河の中心にある巨大ブラックホールは、周囲のガスを吸い込む際に、激しくX線などを放出しますが、こうした放射も銀河のガスを加熱・電離することで、星形成に影響を与えています。銀河団の中心部は明るくX線で輝いていますが、この放射による冷却効率が高いので、中心部の圧力が下がり、外側のガスが流れ込むと予想されていましたが、そうした兆候は観測的に確認されていません。ここでも巨大ブラックホールからの相対論的ジェットや、高エネルギー宇宙線などが中心部のガスを高温に保つ役割を果たしている可能性が指摘されています。

超新星が放出したガスの中には、炭素や窒素、鉄などの重い元素が含まれ、これは次の世代の惑星の材料となりますし、生命にとっても必須の元素です。こうした重い元素は、輝線放射によってガスの冷却材として働いたり、可視光や赤外線を吸収して光の伝播に影響を与えます。したがって、重い元素の量は星形成や星の進化を決定する重要な要素です。超新星の残骸で加速された宇宙線は地球の大気と衝突し、核破砕反応を通じてホウ素を供給します。このホウ素は植物にとっての必須元素となっています。中性子星連星が合体した際にも、周囲にまき散らされる物質の中で核融合が進み、金やウランなどの重元素が生成されると考えられています。

巨視的現象を記述する物理

天体物理は物理学全体を綜合的に用いると述べたところですが、他分野から見ると主に流体力学ばかりをやっているように見えるかもしれません。恒星は自己重力を自分の圧力で支えているガス球ですし、天体の爆発現象も高速のガスの運動です。学会に行くと、流体シミュレーションを中心とした発表が多いのも事実です。しかし、この流体力学こそ、その本質的理解のために、物理の様々な分野に精通していることが要求されます。一番わかりやすい例は、ブラックホールから放たれる相対論的ジェットです。現在最も標準的なジェット駆動のモデルは、ブラックホールの回転エネルギーを磁場を介して引き抜く、Blandford-Znajekモデルと呼ばれるものです。この時に用いられる一般相対論的磁気流体力学の物理的背景には、大学で学ぶ巨視的な物理の全てが含まれています。つまり解析力学、熱統計力学、電磁気学、特殊相対性理論、一般相対性理論です。高エネルギー天体では、ガスの温度が相対論的（ガス粒子の平均速度がほぼ光速）だったり、磁場のエネルギーがガスの静止質量エネルギーを圧倒していたり、時空がブラックホールの回転に引きずられたりしていて、地上では到底実験できない、極限環境における流体現象を扱う面白さがあります。

天体における微視的物理現象

物性や素粒子の分野とは違い、我々が日常的に波動関数を解いたり、量子論に基づいて反応の確率振幅を求めたりすることはさすがにありません。しかし量子的な相互作用は現象の理解に本質的です。恒星の中では核融合によってエネルギーが生まれますし、そのエネルギーの輸送は主に光子によって担われますが、背景のガス粒子との相互作用によって光子は吸収・再放出・散乱され、これらの多くは量子的な反応です。星ができる前の分子からなるガス雲は、分子同士の衝突励起から、脱励起することで電磁波を放射し、冷却していきますが、こうしたガスの冷却過程が生まれる星の質量を決めています。超新星爆発はニュートリノとガスの相互作用によって実現されます。高エネルギーの宇宙線は光子と衝突してパイ中間子を生成し、その中間子の崩壊からガンマ線やニュートリノが放たれます。高エネルギーガンマ線は他の光子と衝突して、電子と陽電子を対生成します。中性子星周囲の強磁場環境では、光子と磁場の相互作用から電子・陽電子対生成が起きたり、1つの光子が2つに分裂したりします。こうした反応の素過程はもちろん良くわかっているので、研究現場では公式のように扱われてはいますが、きちんとこうした反応を理解したうえで、巨視的な現象に与える影響をストーリーとして表現する必要があります。

上記よりも少し大きなスケールに行くと、古典力学が支配しているプラズマ運動論の世界が見えてきます。ここでは流体近似はふさわしくなく、電磁場中の一個一個の荷電粒子の運動を統計的に扱います。プラズマ、特に磁場があるプラズマでは、縦波や横波など様々な種類の電磁波動が励起されて伝播します。電磁場と荷電粒子からなる簡単な系に見えますが、その現象は多様で奥深い分野です。荷電粒子と波動の相互作用により、衝撃波で粒子が加速されたり、磁場が増幅されたり、逆に磁気エネルギーが粒子の運動エネルギーに転換されたりします。近年の大規模シミュレーションによって、プラズマ運動論には著しい発展が見られていますが、やはり小さなスケールを短時間しか追うことができません。天体における激しい現象、特に相対論的なプラズマ流における粒子加速など、未解明の問題が数多く残されています。

研究者としての自立

博士課程までの5年間で自立した研究者となることを目指します。自立しているとは、自ら問題を立て、研究戦略を考え、問題を解決していくことです。例えば、以下のような素朴な問いを考えてみます。宇宙は膨張しているのに、なぜ太陽系は膨張しないのだろうか？なぜ銀河は網目状に分布しているのだろうか？恒星の典型的な質量（太陽質量）は何で決まっているのだろうか？太陽の寿命は何で決まっているのだろうか？宇宙線はどこからやってきたのだろうか？我々の銀河にはいくつのブラックホールがあるのだろうか？星間空間を飛び交うガンマ線やニュートリノの最高エネルギーはいくらだろうか？

今どきはChatGPTなどに聞くことで、上記の問いの答えは簡単に得ることができるでしょう。しかし、こうした問いが浮かんだことすらないという人が大多数ではないでしょうか。また、自分で答えを得ようにも、どこから考え始めたらよいか、わからないのが普通かと思います。多くの人はリンゴが地面に落ちることに疑問を持ちませんが、物理をやるということは、まず自ら疑問を持つところが出発点となります。問題提起をする人が、科学における一番の貢献者ということです。天文学の知識と物理的思考の習慣を大学院で身に着けることで、一見茫漠とした上記のような問題に対し、何らかの切り口を見つけて、議論をスタートさせることができるようになります。

物理の第一原理？

これはやや誇張した表現で、実際の研究現場では様々な物理過程を現象論的モデルに置き換えてしまうことも多いです。例えば、微視的にはガスの運動中に働く粘性力や、加速された宇宙線のエネルギー分布、巨視的には分子雲中で生まれる星形成の効率や、銀河中心ブラックホールの活動の影響などです。ただし、そうした現象論的モデルは観測からフィードバックを受け、徐々に洗練されたものになっていっています。また、上記のような物理過程だけを切り出して、第一原理に近いシミュレーションなどで研究を行っている人々もいて、現象論的モデルを用いている人々も、その背後にある物理の第一原理は常に意識して研究を進めています。

最新鋭の観測装置たち

高エネルギー天体現象を探るため、世界中の最新鋭の観測機器が観測を行っています。日本が伝統的に強い分野としてX線観測衛星がありますが、現在は2023年に打ち上げられたXRISMが主力となっています。ガンマ線ではMeVからGeV帯域でガンマ線バーストやブレーザー（巨大ブラックホールからのジェット）を観測している、Fermi宇宙ガンマ線望遠鏡があり、多くの日本の研究者も参加しています。TeVを超えるガンマ線は地球大気を検出器として利用する手法がとられており、宇宙線研も参加している多国籍ガンマ線天文台CTAOが建設を進めつつ、観測も行っています。

高エネルギーの荷電粒子（陽子・電子・その他の原子核）である宇宙線も、宇宙を探る重要な手がかりです。日本が主導し、国際宇宙ステーションで観測を行っているCALETは、様々な種類の原子核や電子を区別して、詳細なエネルギー分布を求めています。最高エネルギー宇宙線と呼ばれる、$10^{20}$eVを超えるエネルギーの宇宙線は、宇宙線研が主導するTelescope Arrayがアメリカのユタ州で、Pierre Auger Observatoryがアルゼンチンで観測を行っています。ユニークな試みとして、中国のLHAASOなど、地上で宇宙線とガンマ線を同時に観測する装置が高地に設置されています。南半球で同様の観測を目指し、宇宙線研のALPACAも建設を進めています。

ニュートリノは有名な宇宙線研のスーパーカミオカンデに加え、より大きなハイパーカミオカンデの建設も進んでいます。南極の氷の下には、アメリカが主導して作ったIceCubeと呼ばれる装置があり、高エネルギーニュートリノの検出で活躍しています。重力波は現在活躍しているLIGOやVirgoに加え、日本のKAGRAも初検出に向けてアップグレードが進んでいます。

多様な研究対象

謎に包まれた天体現象として以下のようなものが挙げられます。

• 超新星 ：中心の原始中性子星からのニュートリノ加熱によって爆発していると考えられているが、シミュレーションでは、その爆発が再現できていません。
• 超新星残骸 ：星間空間に衝撃波をもたらし、そこで宇宙線を加速し、加速電子や陽子からの電波・可視光・X線・ガンマ線が観測されています。
• パルサー ：ミリ秒から数秒の自転周期で回転する強磁場を伴った中性子星で、自転エネルギーを消費して光を放っていると考えられています。しかし電波やガンマ線の放射メカニズムは解明されていません。
• マグネター ：パルサーの中でも量子効果が効くほどのさらなる強磁場を持った天体で、その強力な磁場エネルギーを直接放射に転換していると考えられています。時々激烈なバースト現象を起こしますが、磁場エネルギーの解放機構は未解明です。
• Fast Radio Burst ：マグネターが有力な起源天体と考えられている、謎の突発電波放射現象です。
• X線連星 ：コンパクト天体（恒星質量ブラックホールあるいは中性子星）と恒星からなる連星で、星のガスがコンパクト天体に流れ込み、X線やガンマ線を放っています。
• パルサー星雲 ：パルサー磁気圏で生成された電子・陽電子プラズマが、相対論的速度で吹き出し、X線などで輝いています。磁場エネルギーを効率よく運動エネルギーに変えているようですが、その物理機構は未解明です。
• キロノバ ：中性子星が重力波を放ちながらコンパクト星と合体する際に、可視光などで輝く現象で、重元素が生成されている現場です。
• ガンマ線バースト ：巨星が寿命を迎えたり、中性子星連星が合体した際に、相対論的ジェットからガンマ線が放たれています。宇宙最大の爆発です。
• 活動銀河核 ：銀河中心の巨大ブラックホールにガスが降着する際に、可視光やX線で莫大な放射を放っています。
• ブレーザー ：激しく変動するガンマ線を放つ、活動銀河核から放たれる相対論的ジェットです。
• 宇宙線 ：どのように生まれ、拡散していったか解明されておらず、銀河面や銀河団において空間的に広がった電波やガンマ線を放っています。

数値計算

天体物理学は現実の雑多な世界を扱っているので、理論モデルが内包している数理的側面、例えば対称性とか双対性、可積分性、トポロジーなどは基本的に我々の興味の対象ではありません。これは理論物理学の他分野とかなり異なる点です。標準的な物理基礎理論の美しさも理解していますし、理論天文学が数学によって成り立っていることは確かですが、数学そのものに興味を持って研究している人は少ないと思います。解析的に解けなくても、数値的に解ければ十分なのかもしれません。解析解を求めるための数学的テクニックも、現在の主流の研究対象とはなっていません。

数値計算の対象と手法は様々で、天体の統計的性質を議論するためのモンテカルロシミュレーション、星や暗黒物質の運動を解くN体シミュレーション、ガスの巨視的な運動を解く流体シミュレーション、微視的なプラズマの挙動を追うPIC（Particle-in-Cell）シミュレーション、分布関数を追うためのボルツマン方程式の数値計算、光やニュートリノが伝播中にガスに与える影響や観測スペクトルを求めるための輻射輸送計算などがあります。

数値計算にも色々なレベルがあって、Mathematicaのようなソフトウェアの使用、自作プログラムを書いた上で手元のパソコンで計算できるもの、スパコンを使った大規模数値シミュレーションなどがあります。大規模シミュレーションは、それぞれの分野に専門家がいて、新規参入者はどこかのグループに、「弟子入り」するという形が多いです。彼らが開発した何万行にも渡る計算コードを使わせてもらうことで、世界最先端の結果を出すチャンスがあります。一方でどの分野も成熟しているので、新人が独自性を出すのが難しいという側面はあるかもしれません。我々がお薦めする研究戦略は、他の研究者が取り組んでいない問題設定を見つけ、それを解くための「中規模」数値計算コードを独自開発し、その分野の独占的な専門家としての地位を確立することです。上記でも述べているように、多様なテーマが存在する天体物理ならではの研究戦略です。

観測データ再現のデモンストレーション

投稿論文の査読者の中には、モデルによって観測データをびったり再現しないと許してくれない人もいます。しかし、天文学は精密科学ではありません。観測データの不定性が大きいことはもちろん、理論モデルの側にも理想化に伴う「誤差」があることは忘れてはなりません。数値計算であっても、一様な領域・球対称・定常性などの簡単化をモデルに仮定して計算されることは多々あります。観測データからの多少の逸脱が、モデルの大枠を否定するものとは限りません。逆にモデルを複雑にして、たくさんのパラメータを導入して観測を再現しても、必ずしもこちらが良いモデルとは言い切れません。データの再現だけではなく、そこに新たな予言があったり、微視的物理過程などに対する理解が深まるような仕事が望ましいかもしれません。