かに星雲から観測史上最高エネルギーのガンマ線を検出

【2019年8月2日 東京大学宇宙線研究所】

1054年におうし座の一角に出現した超新星の名残は、現在「かに星雲」という超新星残骸として観測される。アマチュア天文家の観望や撮影対象として人気がある天体であると同時に、学術的にも非常に精力的に研究が行われており、電波、可視光線、X線、ガンマ線と幅広い波長領域で観測されている。

かに星雲（撮影：antares44さん）。画像クリックで天体写真ギャラリーのページへ

これまでの観測において、かに星雲から検出されたガンマ線の最高エネルギーは75TeV（テラ電子ボルト）だった。これは可視光線のエネルギーの数兆倍という超高エネルギーだ。一方で、天体からのガンマ線はエネルギーが高いほど強度が弱く、安定した長時間の観測が必要になるなどの理由から、他の天体を含めて100TeV以上のガンマ線が観測されたことはなかった。

弘前大学の雨森道紘さんたちは「チベットASγ実験グループ」という国際研究グループで、中国チベット自治区の標高4300mの高原に設置されたチベット空気シャワー観測装置を用いて超高エネルギー宇宙線を観測している。高エネルギーの宇宙線やガンマ線が地球大気に衝突すると「空気シャワー」という現象が起こって多数の粒子が発生するので、その観測から宇宙線やガンマ線のエネルギーや到来方向を調べるという研究だ。

チベット高原の標高4300mに設置されている空気シャワー観測装置（提供：チベットASγ実験グループ）

天体からやってくる高エネルギーのガンマ線の強度は、一様にやってくる宇宙線雑音の数百分の1以下しかない。この雑音を減らすため、研究グループでは空気シャワーに含まれるミューオンの数に着目した。ガンマ線起源の空気シャワー中のミューオン数は、宇宙線起源のものの50分の1程度なので、ミューオン数の計測からガンマ線と宇宙線雑音とを区別できる。

チベットASγ実験による2014年から約2年間のデータを解析した結果、かに星雲の方向から100TeVを超えるようなガンマ線が約20回観測されていたことが明らかになった。最高エネルギーは450TeVにも達しており、これは従来の最高記録の6倍も高い観測成功例となる。

（左）チベット空気シャワー観測装置で見た、かに星雲方向の100TeV以上のガンマ線イメージ。（右）ハッブル宇宙望遠鏡による、かに星雲の可視光線画像（提供：（左）チベットASγ実験グループ、（右）NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)）

こうした高エネルギーのガンマ線は、次のような過程で生成されたと考えられている。まず、超新星爆発後の数百年間に、電子が星雲中で超高エネルギー（ペタ電子ボルト＝1000TeV）まで加速される。この加速された電子が、宇宙全体を一様に満たす宇宙マイクロ波背景放射（ビッグバンの名残）と衝突すると、宇宙マイクロ波背景放射が電子により叩き上げられ、450TeVのガンマ線になったというものだ。この解釈が正しければ、かに星雲は私たちが知る天体のうちで“天の川銀河内最強の電子の天然加速器”と考えられる。

現在、南米のボリビアにも、チベットASγ実験と類似の観測装置「ALPACA」の建設が計画されている。今後同様の観測、研究が進むことで、天の川銀河内の宇宙線のエネルギー限界や発生原理、発生源を特定できるようになると期待される。