宇宙から届いた一瞬の電波。出した犯人は、まだ分かっていません。なのに天文学者は、その電波で「途中にどれだけ物質があったか」を測ります。いや、正体不明なのに物差しにするとは、ずいぶん大胆ですよね。

でも、ちょっと待ってください。ここには無茶ではなく、きれいな役割分担があります。発生装置の正体を知る問題と、電波が宇宙空間を通ってどう遅れたかを測る問題は別です。今回の最遠FRBは、その物差しを宇宙史の約8割を横切る長さまで伸ばしました。

Astronomers detect mysterious burst of energy from a galaxy far, far away
Astronomers detect mysterious burst of energy from a galaxy far, far away

Intense flash of radio waves is more than 10bn years old and has travelled through ‘approximately 80% of cosmic history’

今回の登場人物 ​

FRB（高速電波バースト）
数ミリ秒ほどの短い時間に、非常に強い電波を放つ現象です。何がどうやって電波を作るのかは未解明で、複数の仕組みがある可能性も残っています。一瞬だけ大声で叫び、名乗らずに消える。観測する側は、なかなか忙しい現象です。

分散量（DM）
電波が通り道で出会った自由電子の総量を表す指標です。低い周波数の電波ほど到着が遅れる性質を使って測ります。宇宙版の「道中でどれだけ霧を通ったかメーター」だと思ってください。

赤方偏移
宇宙の膨張によって、遠い銀河の光の波長が引き伸ばされる現象です。発生銀河の赤方偏移を測ると、FRBがどれほど遠くから来たかを推定できます。

バリオン
陽子や中性子でできた、星やガスや私たちをつくる「普通の物質」です。今回測ろうとしているのは主に電離したバリオンで、暗黒物質そのものではありません。ここ、名前が似た迷子ポイントです。

何が起きたか ​

The Guardianは、100億年以上を旅してきたとみられる高速電波バースト「FRB 20240304B」が、発生銀河まで特定されたFRBとして最も遠い記録になったと報じました。電波は南アフリカのMeerKAT電波望遠鏡で2024年3月4日に検出されました。

研究チームは電波の到来方向を細かく絞りましたが、地上望遠鏡では発生銀河を確認できませんでした。そこでジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の出番です。FRBの位置から約0.3秒角離れた非常に暗い銀河を発見。発生銀河である確率を97.5％と評価し、そのスペクトルから赤方偏移を2.148±0.001と測りました。

これは、宇宙が誕生して約30億年だった時代に当たります。研究論文は、発生銀河まで分かったFRBの到達範囲を従来の2倍に広げ、電離した物質を宇宙史のおよそ80％にわたって探れるとしています。

ここが本題 ​

面白いのは、最遠記録そのものだけではありません。FRBの発生源が完全には分からないのに、なぜ途中の見えにくい物質を測れるのか。これが本題です。

答えは、電波が作られる仕組みではなく、電波が通るときに受けた変化を使うからです。懐中電灯のメーカーが分からなくても、光のかすみ方を見れば霧が濃いか薄いかは調べられますよね。FRBも似ています。誰が懐中電灯を作ったかは、いったん脇へ置く。発生源は謎でも、宇宙の電離ガスが電波に残す「遅れの指紋」には、よく分かった物理法則があります。

ただし、一発のFRBで宇宙の全物質を量ったわけではありません。分かるのは、その電波が通った一本の視線上にある自由電子の積み重なりです。ここを大きく言うと、宇宙の体重計が急に大ざっぱになります。

電波は一列で到着しない ​

FRBは、幅のある周波数の電波として観測されます。完全な真空なら、同時に出た電波はほぼ一緒に届きます。ところが自由電子を含む薄いプラズマを通ると、低い周波数ほど少し強く遅れます。受信データでは、パルスが周波数ごとに斜めへずれた模様になります。

この遅れには、周波数に対して決まった形があります。観測者はその曲線を合わせ、視線方向に積み重なった自由電子の量、つまり分散量を求めます。さて、ここで急に数字が宇宙服を着てきます。FRB 20240304Bの分散量は、散乱によるパルスの広がりを補正した値で2458.20±0.01 pc cm⁻³（パーセク毎立方センチメートル）でした。

単位は無理に暗記しなくて大丈夫です。大切なのは「一点の濃さ」ではなく、「長い道のりで電子をどれだけ積み上げたか」を表すこと。スーパーのレシートで、売り場ごとの商品ではなく合計額をまず見る感じです。宇宙規模なのに、やっていることは合計です。

この測定には、FRBのエンジンがマグネターなのか、中性子星同士の合体なのかを確定する必要はありません。パルスが十分短くて明るく、冷たい電離プラズマを通ったときの特徴的な遅れを測れればよい。つまり同じ電波に、別々の質問票を渡しているんです。発生原因の研究と、伝わり方を使う研究は、同じ電波を別の質問に使っているわけです。

距離が分かって初めて物差しになる ​

ただし、分散量だけでは「どの長さの道を通って、その合計になったか」が分かりません。遠くまで進めば電子との出会いは増えやすい。近くても濃いガス雲を通れば大きくなります。合計額だけ見て、買い物かごの中身を当てるのは難しいんです。

そこで必要なのが発生銀河の特定と赤方偏移です。MeerKATが電波の位置を絞り、ウェッブ望遠鏡が暗い発生銀河を見つけ、NIRSpecという分光器が赤方偏移を測った。はい、ここでようやく物差しの両端がそろいます。この組み合わせで、「分散量2458.20」と「赤方偏移2.148」が同じFRBにそろいました。

距離と分散量を多数のFRBについて並べると、遠いFRBほど平均的には分散量が大きくなる関係が見えます。これは「マッカート関係」と呼ばれます。2020年のNature論文は、発生銀河と赤方偏移が分かったFRBの標本を使い、銀河の間に薄く広がる電離バリオンの量を直接調べました。

ここでいう「見えない物質」は、主に希薄すぎて普通の光では捉えにくい通常物質です。暗黒物質を電子として数えているわけではありません。宇宙の話では「見えない」が二人います。片方は普通の物質の薄いガス、もう片方は正体の違う暗黒物質。名札を確認しないと会議が荒れます。

合計から内訳を引き算する ​

FRBが示す総分散量には、宇宙の銀河間物質だけでなく、いくつもの寄与が混ざっています。私たちの天の川銀河の星間物質、天の川を包むガス、途中の銀河や銀河団の周辺ガス、発生銀河、そのFRBのすぐ近くの環境です。

研究チームはFRB 20240304Bについて、天の川の星間物質を約28、天の川のハローを約40とするなど各成分を見積もり、マッカート関係との比較に使う宇宙由来の分散量を約2330としました。とはいえ、残りを全部「何もない銀河間空間」の箱へ放り込むわけではありません。そんな大ざっぱな仕分けでは宇宙に怒られます。この視線は近傍のおとめ座銀河団と、赤方偏移0.31131の前景銀河群を通っています。

論文では、おとめ座銀河団が約235、前景銀河群が約33を分散量へ加えたと推定しています。宇宙由来の分散量は、同じ赤方偏移でのマッカート関係の中央値より約550多く、その過剰の多くを、この二つの構造で説明できる可能性があるとしました。

これは「電波で宇宙の透明な地図が完成しました、はい解散」という話ではありません。どの成分をどれだけ引くかには、天の川の電子分布や発生銀河の環境についてのモデルが必要です。一本の視線は、たまたま濃い場所を通ることも、空いた場所を通ることもあります。だから、多数のFRBを集めて統計的に見る必要があります。

むしろ今回の価値は、長い視線の途中にある構造が分散量へ実際に刻まれていると示したことです。宇宙の網目を、一本のまぶしい糸で照らした、と言うと近いでしょう。

正体不明は弱点であり、致命傷ではない ​

もちろん、発生源の不明さが何の問題にもならないわけではありません。発生銀河やFRB周辺の電子がどれほど分散量へ寄与したか、電波そのものに周波数ごとの時間構造がどれほどあったかは、推定の不確かさに関わります。繰り返すFRBと一度しか見えないFRBが同じ仕組みなのかも確定していません。

今回の発生銀河は、星を活発につくる小さく若い銀河でした。この事実は、中性子星同士の合体より、若い強磁場中性子星であるマグネターに関係する説明と相性がよい可能性を示します。ただし、FRB全体の発生源が一つに決まった、とは言えません。今回の記事でも、犯人当てはまだ捜査中です。

一方、伝わり方については、分散の法則、電波の正確な位置、発生銀河の赤方偏移という別の証拠が使えます。分からない部分をそのまま認め、分かる部分だけで測る。「全部分かるまで何もしません」では、宇宙が先に年を取ってしまいます。科学は問題を切り分けて前へ進むんですね。

これから増やすべきは点の数 ​

次に必要なのは、さらに遠く、発生銀河まで確実に特定できるFRBを増やすことです。赤方偏移の違うFRBをたくさん並べれば、宇宙の時代ごとに電離バリオンがどこへ分布していたか、銀河や銀河団の周辺にどれほど集まったかを調べやすくなります。

FRB 20240304Bは、宇宙史の約80％を通る一本の視線を与えました。一本は画期的ですが、宇宙全体の地図には足りません。地球一周の旅行記が一人分だけあっても、世界中の交通渋滞までは描けないのと同じです。

日本の読者に直接明日の生活を変えるニュースではありません。それでも、「発生源が分からないなら何も分からない」という思い込みを崩す、よい科学ニュースです。測定とは、対象のすべてを知ることではなく、何が未知でも、どの量なら信頼して取り出せるかを設計することだからです。

まとめ ​

FRBを宇宙物質の物差しにできるのは、発生原因ではなく、電離ガスを通った電波の遅れ方を測るからです。低い周波数ほど遅れる形から分散量を求め、発生銀河の赤方偏移で道の長さを押さえます。

ただし、測れるのは一つの視線上に積み重なった自由電子です。天の川、途中の銀河団、発生銀河などの寄与をモデルで分け、多数のFRBを統計的に組み合わせて、希薄な通常物質の分布へ近づきます。暗黒物質を直接量ったわけでも、宇宙の全物質を一発で数えたわけでもありません。

正体不明の閃光でも、旅の跡は読める。いや、ここがミソなんですよ。最遠FRBのすごさは、100億年以上前の一瞬を見つけたことに加え、その長い道中を測定対象に変えたところにあります。

Sources ​