1000分の1秒に太陽3日分のエネルギー　宇宙の謎の電波「FRB」の正体に迫った2020年の発見　サイエンスラボ|英会話学習ラボ

あなたが夜空を見上げているこの瞬間も、地球には宇宙のどこかから、1000分の1秒にも満たない謎の電波が届いているかもしれません。その一瞬に込められているエネルギーは、太陽が数日かけて放出する量に匹敵するといわれています。

この電波は「高速電波バースト(Fast Radio Burst、略してFRB)」と呼ばれ、2007年に発見されて以来、長い間その正体がまったくの謎でした。そして2020年、天文学者たちは初めて「現場」を押さえることに成功します。犯人は、天の川銀河の中にいたマグネターという超強力な磁石のような天体でした。

今回は、謎の発見からその正体が判明するまでの経緯と、FRBが今では宇宙そのものを測る"物差し"として使われ始めているという最新の話まで紹介します。

なぜ20年近く「存在は分かっても正体不明」だったのか

FRBは、電波望遠鏡でないと検出できません。しかも持続時間はミリ秒(1000分の1秒)単位ととても短く、望遠鏡がちょうどその方向を向いていなければ記録に残らない、いわば"一瞬の閃光"です。

さらに厄介なのは、信号のほとんどが二度と繰り返さないということでした。超新星爆発のように「あの天体が爆発した」と現場を指し示せるなら正体を調べやすいのですが、FRBの多くは一度光って消えたらそれで終わり。もう一度同じ場所を観測しても、何も起きません。犯人が一瞬だけ姿を見せてすぐに人混みに消えてしまうようなもので、長年「何が、どうやってこの電波を出しているのか」というそもそもの謎が解けませんでした。

発見:2001年のデータに埋もれていた信号

最初のFRBが見つかったのは、2001年のことです。もっとも、発見された当時はそれが何なのか誰も分かっていませんでした。アメリカ・ウェストバージニア大学のDuncan Lorimerは、学生のDavid Narkevicに、オーストラリアのパークス天文台が2001年に撮った観測データを調べさせていました。

そのデータの中に、わずか5ミリ秒に満たない、非常に強い電波パルスが1つだけ記録されていたのです。2007年、LorimerらはこれをScience誌に発表しました。この信号はのちに「ローリマー・バースト(Lorimer Burst、FRB 010724)」と呼ばれるようになります。

当初は懐疑的な見方も強く、似たような信号が実はパークス天文台の構内にある電子レンジから出た電波ノイズだった、という事例まで見つかっています。それでも観測を重ねるうち、本物の宇宙起源とみられる同種の信号が次々と報告されるようになり、「高速電波バースト」という現象として認知されていきました。

結果:2020年、ついに"現場"を特定

転機は2020年4月28日に訪れました。天の川銀河内にあるマグネター「SGR 1935+2154」が、X線で激しく活動している最中に、電波の強いバーストを放ったのです。

この瞬間を、カナダの電波望遠鏡CHIMEと、アメリカの小型電波観測網STARE2が、それぞれ独立に検出しました。CHIME/FRB Collaborationと、Bochenekらの研究チームが、ともに2020年の『Nature』誌に報告しています。報道によれば、この電波は、それまでに観測されていたどのマグネターからの電波よりもおよそ3000倍明るかったとされています。

決定的だったのは、X線天文衛星や中国のFAST望遠鏡など複数の観測データを合わせたところ、電波バーストが起きた時刻と、このマグネターがX線で活発化した時刻が一致していたことです。「同じ天体から、同じ瞬間に出た」と複数の独立したチームが結論づけたことで、少なくとも一部のFRBはマグネターから出ているという、初めての直接的な証拠が得られました。

図1:CHIME望遠鏡が集めた536個のFRB、繰り返すものと一度だけのもの

2018〜2019年にCHIME望遠鏡が検出した536個のFRBのうち、くり返し発生が確認されている18個の天体由来は62個のみ。残りの474個は観測できたのが一度だけだった。

出典:CHIME/FRB Collaboration (2021) の第1カタログの集計数をもとに作図

この表が示すとおり、見つかっているFRBの大半は「一度しか観測されていない」タイプです。別の研究では、観測されるFRB全体のうち、繰り返し発生が確認されるのはおよそ2.6%程度にすぎないとも報告されています。マグネターの正体が分かったのは、あくまでこの"全体像"のうちの1つの事例という点が重要です。

なぜマグネターはこんな電波を出せるのか

マグネターは、太陽ほどの質量を半径わずか10km程度にまで押し込めた「中性子星」の一種です。その磁場は地球の磁場の1兆倍以上ともいわれ、想像を超える強さです。

この強烈な磁場がねじれたり、表面の"地殻"のような層が「星震(スターズクエイク)」と呼ばれる亀裂を起こしたりする際、周囲の荷電粒子が一気に加速され、電波として瞬間的に放出されると考えられています。たとえるなら、張りすぎた弓の弦がバチンと切れる瞬間に、エネルギーが一気に外へ弾き出されるイメージです。マグネターという"弓"は常に張られた状態にあり、時おりその一部がはじけて、私たちのところまで届く電波になる、というわけです。

ただし、これで話が終わったわけではありません。一度しか観測されない大多数のFRB、特に非常に遠い銀河から届くものまで同じ仕組みで説明できるのかは、まだ検証が続いている段階です。

図2:マグネターが電波バーストを放つ仕組み(イメージ図)

強い磁場のねじれや表面の星震が引き金になり、一瞬だけ電波バーストが放出されると考えられている。実測データではなく、提案されている仕組みのイメージ。

CHIME/FRB Collaboration (2020)、Bochenek et al. (2020) で議論されている機構をもとにしたイメージ図

この話、こう使える:FRBは"宇宙の物差し"になった

正体の一端が分かったことで、FRBにはもう一つの使い道が生まれました。FRBの電波は、地球に届くまでに宇宙空間を満たす薄いプラズマ(電離した気体)を通り抜けてきます。このとき、周波数によって到着時刻が少しずつずれる「分散(dispersion)」という現象が起きます。

この分散のずれ具合(分散量)を調べると、その電波が通り抜けてきた道のりに、どれだけの量の"普通の物質"(陽子や電子からなるバリオン)が存在していたかを逆算できます。Macquartらの研究チームは2020年、距離が正確に分かっているFRBの分散量を使って、宇宙全体に存在する物質の量を測定しました。結果は、ビッグバン元素合成や宇宙背景放射の観測から理論的に予測されていた値とよく一致し、長年「どこにあるのか見つからない」とされていた物質の多くが、銀河と銀河のあいだに広がる希薄なプラズマの中に存在することを裏づけました。

💡 なぜこれが面白いのか FRBはもともと「正体不明の変な信号」として騒がれていた現象です。それが今では、望遠鏡1つで宇宙全体の物質量を測る道具に変わった。謎そのものが、使える道具になったという展開が、この分野のおもしろさです。

注意点:この研究の限界

ここまでの話を「FRBの謎はもう解けた」と受け取るのは早計です。正直に限界を書いておきます。

確認されたのは1つの事例にすぎない。 2020年に判明したのは、天の川銀河内の特定のマグネター1個が、FRBに似た電波を出したという事実です。これが遠方の銀河から届く数百個のFRB、特に一度しか観測されない非繰り返し型すべての起源だと確認されたわけではありません。
明るさの比較には注意が必要。 「3000倍明るい」という比較は、これまで観測されてきたマグネターからの電波どうしの比較であり、典型的な遠方のFRBと同じ尺度で直接比べられるものではありません。
サンプル数が少ない。 宇宙の物質量を測定したMacquartらの研究は、2020年時点で距離が正確に分かっているFRBがわずか数個しかない中での推定でした。信頼度は年々上がっていますが、当時のデータ量自体は限られていました。
観測の歴史がまだ浅い。 本格的な大量観測が始まったのは、CHIME望遠鏡が稼働した2018年以降です。この分野の理解は、現在進行形でどんどん更新されています。

よくある質問

FRBは地球に危険を及ぼしますか?

いいえ、心配はいりません。FRBの送信源は数千光年〜数十億光年という天文学的な距離にあり、地球に届く電波のエネルギーは観測機器でようやく検出できるレベルまで弱まっています。マグネター自体の爆発的な活動が地球環境に影響するわけではなく、あくまで「電波望遠鏡で捉える信号」の話です。

見つかっているFRBはすべてマグネターが起源なのですか?

まだそう結論づけることはできません。2020年に確認されたのは「天の川銀河内の1つのマグネターが、FRBに似た電波バーストを放つ瞬間」です。遠方の銀河から届く数百個のFRB、特に一度しか観測されない非繰り返し型の起源までマグネターで説明できるかは、現在も検証が続いている段階です。

一般の人でもFRBの観測に関われますか?

FRBを自分で受信するには専用の電波望遠鏡が必要で、個人で直接観測するのは難しいのが実情です。ただしCHIME望遠鏡チームなどが公開しているカタログ論文やデータは誰でも読むことができ、研究がどう積み重なっていくかを追体験することはできます。

今日の3行まとめ

📌 これだけ持ち帰ってください 2007年に発見された謎の電波「FRB」は、長年正体不明のままでした。
2020年、天の川銀河内のマグネターが電波バーストを放つ瞬間が初めて観測され、正体の一端がつかまれました。
今ではFRBそのものが、宇宙に存在する"見えない物質"の量を測る道具として使われています。

こうした「謎を何年も追いかけ続けて、ようやく手がかりをつかむ」研究者たちの姿勢は、語学学習にも通じるところがあります。派手さはなくても、淡々と積み重ねることの強さを感じたい人は、独学ロードマップもあわせてどうぞ。

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参考文献

Lorimer, D. R., Bailes, M., McLaughlin, M. A., Narkevic, D. J., & Crawford, F. (2007). A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin. Science, 318(5851), 777–780. 論文を見る
CHIME/FRB Collaboration (2020). A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar. Nature, 587, 54–58. 論文を見る
Bochenek, C. D., Ravi, V., Belov, K. V., et al. (2020). A fast radio burst associated with a Galactic magnetar. Nature, 587, 59–62.
Macquart, J.-P., Prochaska, J. X., McQuinn, M., et al. (2020). A census of baryons in the Universe from localized fast radio bursts. Nature, 581, 391–395. 論文を見る
CHIME/FRB Collaboration (2021). The First CHIME/FRB Fast Radio Burst Catalog. The Astrophysical Journal Supplement Series, 257, 59.
Chatterjee, S., et al. (2017). A direct localization of a fast radio burst and its host. Nature, 541, 58–61.