関西学院大学理工学部 物理学科 |
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赤外線天文学研究室
宇宙再電離の謎と宇宙最初の星々
宇宙が始まった138億年前の高温・高密度のプラズマ（*注１）は、宇宙の膨張にしたがって冷え38万年後には電気的に中性な水素原子になりました。現在の宇宙は再びプラズマで占められており、その発端は130億年以上前の「宇宙再電離期」にまでさかのぼることがわかってきました。
宇宙再電離の原因は未解決問題です。多くの研究者は、宇宙で最初に生まれた星々やそれらの超新星残骸ブラックホールが発する紫外線が原因（*注２）と考えています。私が現在取組んでいるのは、このような初期天体を探し出すことです。
宇宙初期を見る強力ツール「赤外線」と「宇宙背景放射」
宇宙再電離期の紫外線は、宇宙膨張により波長が10倍以上のびた赤外線として観測されるはずです。しかし、超遠方にある星々は個別には極めて暗く、地上最大の望遠鏡でも捉えることは不可能です。その一方で、星々からの赤外線をまとめて天空に広がった「宇宙背景放射」として観測してやれば、小さな望遠鏡でも捉えられるのです。ただし、地球大気は夜でもまぶしいくらいに赤外線で光るので、宇宙背景放射の観測には大気圏外に出なければなりません。
ロケットで謎の解明に挑む
ひとつの試みが「ロケット実験CIBER」です。海外の共同研究者らと小さな赤外線望遠鏡を開発しNASAのロケットにのせて打上げ観測するもので、2013年までに4回の打上げを成功させました。
すでに存在がわかっている宇宙背景放射は、あらゆる銀河の光を足し合わせたものです。これに宇宙最初の星明かりが加われば、予測よりも大きな測定信号が出るはずです。驚くべきことに、CIBERのデータにはそのような余分な放射が見えていたのです！
結果的には、発見した放射の多くは銀河間空間に浮遊する星々によるものと結論しましたが、最終結論にはもっと精密な測定が必要です。浮遊星の成分を見極めて分離すれば、ついに宇宙最初の星がしっぽを出すに違いありません。現在、そのような新実験にむけて装置を開発しているところです。
赤外線の宇宙背景放射で拓く新たな物理学
宇宙事象に照らし物理法則の「ほころび」を見つけるのも宇宙物理学の役割です。近年の研究では、宇宙には光と相互作用する普通の物質は全体の５％しかなく、残りは光と相互作用しない未知の粒子「ダークマター」と万有斥力を示す不可解な「ダークエネルギー」からなるとされています。これは途方もない結論です。私たちは宇宙の構成物の実体をほとんど何も知らないと言っているのですから！
地上の物理学になかった相手を目の前にした今、新しいタイプの宇宙実験を重ねてゆくことが重要です。宇宙赤外線背景放射はそのひとつです。超高エネルギー宇宙ガンマ線と宇宙背景放射の衝突過程や宇宙背景ニュートリノの崩壊光子を赤外線で捉える実験など、新たな計画も立ち上げています。宇宙初期の謎や新分野開拓に興味ある人は、ぜひ一緒に研究しましょう。
宇宙赤外線背景放射に関するページ：
http://www.ir.isas.jaxa.jp/~matsuura/darkage/index_da.html
*注１：電気的に中性な物質が正負の電荷をもつ粒子にバラバラになった状態。ここでは水素原子が陽子と電子とに分離した状態をさす。
*注２：水素原子に一定以上の光子エネルギーをもつ紫外線を照射すると、電離され陽子と電子のプラズマ状態になる。