銀河の見方が、書き換わった。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

光を使わずに描かれた、もう一つの天の川

私たちが「銀河を見る」と言うとき、それはほぼ例外なく光を見ることを意味してきました。可視光、電波、赤外線、X線、ガンマ線。波長は違っても、すべては電磁波、つまり光の仲間です。望遠鏡の歴史は、見える光の種類を増やしてきた歴史でもありました。

ところが2023年、その大前提が一つ崩れました。南極の氷の底に埋められた装置が、光をいっさい使わずに天の川の姿を浮かび上がらせたのです。描き出したのは、約6万個の「ニュートリノ」という粒子でした。

ニュートリノとは、ほとんど何とも反応しない幽霊粒子

まずニュートリノが何者かを押さえておきます。ニュートリノは、原子をつくる電子や陽子と並ぶ素粒子の一つで、電気を帯びず、質量もごくわずかしかありません。最大の特徴は、物質とほとんど反応しないことです。

どれくらい反応しないか。太陽の核融合で生まれたニュートリノは、いまこの瞬間もあなたの指先1平方センチメートルあたり毎秒およそ660億個の勢いで通り抜けています。それでいて体には何の影響もありません。多くは地球そのものさえ素通りしてしまいます。

反応しないということは、裏を返せば途中で邪魔されないということです。光は宇宙のガスや塵に吸収されたり散乱したりして、遠くの情報が途中で失われます。ニュートリノはそうした障害物をほぼ無視して直進するため、光では見通せない場所の情報を、ありのまま運んでくる可能性を秘めています。問題は、その「反応しなさ」ゆえに、捕まえること自体が極めて難しい点にありました。

観測装置の正体は、南極の氷そのもの

この難題に挑むのが、南極点に建設された観測装置「IceCube（アイスキューブ）」です。アメリカのウィスコンシン大学マディソン校を中心とする国際共同実験で、2010年に完成しました。

IceCubeのユニークさは、装置の本体が氷であることです。南極点の氷床に、深さ1450メートルから2450メートルにかけて86本のケーブルを垂らし、そこに合計5160個の光センサー（光電子増倍管を収めたモジュール）を吊り下げています。これらが取り囲む氷の体積は、おおよそ1立方キロメートル。つまり1辺1キロメートルの透明な氷の塊が、まるごと検出器として働いています。

仕組みはこうです。ごくまれにニュートリノが氷の中の原子核と衝突すると、二次的に荷電粒子が生まれます。この粒子が氷の中を高速で走るとき、「チェレンコフ光」と呼ばれる淡い青い光を放ちます。水中を高速で進む荷電粒子が出す、いわば光の衝撃波です。氷に埋め込まれた5160個のセンサーが、この一瞬の青い閃光を捉え、いつ・どのセンサーが・どれだけ光ったかを記録します。光り方のパターンを解析すれば、もとのニュートリノがどの方向から、どれくらいのエネルギーで飛んできたかを逆算できる、という理屈です。

なぜ、よりによって南極の氷なのか

センサーを置くなら、もっと扱いやすい場所がありそうにも思えます。それでも南極の氷が選ばれたのには理由があります。

第一に、深い氷は非常に透明で、しかも真っ暗です。チェレンコフ光は微弱なので、観測には外乱の光がない環境が欠かせません。地下深くの氷は天然の暗室になります。第二に、分厚い氷と地球そのものが、宇宙から降り注ぐ余計な粒子を遮ってくれます。第三に、必要な体積の検出器を一から人工的につくるのは現実的ではありませんが、南極にはすでに桁外れの量のきれいな氷が存在します。これを利用しない手はない、というわけです。

2023年、機械学習が「銀河面」を描き出した

IceCubeはこれまでにも、遠方の活動銀河から飛来した高エネルギーニュートリノなどを捉えてきました。しかし2023年6月、科学誌『サイエンス』に発表された成果は、観測対象が私たち自身の銀河、天の川だったという点で性格が異なります。

研究チームが注目したのは、天の川の円盤（銀河面）から来るニュートリノでした。銀河系には高エネルギーの宇宙線が飛び交っており、それが星間ガスと衝突すると、副産物としてニュートリノが生まれると予想されていました。理屈の上では天の川はニュートリノで光っているはずだ、と。ただ、その信号は他の雑多なニュートリノに埋もれて、長らく取り出せずにいました。

突破口は二つありました。一つは、解析に使うニュートリノの種類です。チームは、氷の中で球状に光が広がる「カスケード型」と呼ばれる反応を主に使いました。方向の精度はやや劣る一方、雑音となる大気由来の粒子を区別しやすく、広がった信号源である銀河面の探索に向いていました。もう一つは機械学習です。約10年分のデータからニュートリノの方向とエネルギーを精密に再構成するため、研究チームはニューラルネットワークを訓練し、選び出した約6万個のニュートリノ事象を解析しました。

結果、天の川の銀河面がニュートリノで明るく輝いている様子が、統計的に確かな信号として浮かび上がりました。その確からしさは4.5シグマと報告されています。これは偶然でこうした分布が現れる確率が非常に低いことを意味し、発見として扱える水準ですが、揺るぎない確定（慣例的には5シグマ）には一歩届かない段階でもあります。

わかったこと、まだわからないこと

ここで確定と未確定を分けておきます。

確かになったのは、天の川そのものが、光ではなくニュートリノという粒子の地図として描けたという事実です。人類が銀河を電磁波以外の手段で像として捉えたのは、これが初めてでした。歴史上ずっと光で見てきた相手を、まったく別の情報の運び手で見直したことになります。

一方で、未解明の部分は多く残っています。銀河面のニュートリノが、具体的に銀河系のどの天体や領域から来ているのか、その内訳はまだ特定できていません。宇宙線とガスの衝突という全体像は有力ですが、個々の発生源を点として切り分けるには、IceCubeの方向分解能では足りないのが2026年時点の状況です。観測された明るさが理論予想とどこまで一致するかの精密な比較も、データを積み増しながら検証が続いています。

結局、何がすごいのか

この成果のすごさは、新しい天体を見つけたことではありません。すでに知り尽くしたつもりだった天の川を、光をいっさい使わずに描き直してみせた、その方法そのものにあります。

ガリレオが望遠鏡を空に向けて以来、天文学は「より良く光を集める」方向に進んできました。IceCubeが示したのは、そもそも光に頼らない観測手段が現実に機能するという証拠です。ほとんど何とも反応しない幽霊のような粒子を6万個集めれば、銀河の形が見えてくる。光が届かない宇宙の奥や、光では隠れてしまう現象を、いずれニュートリノが見せてくれるかもしれません。銀河を「見る」という行為の選択肢が、確かに一つ増えたのです。