銀河をバックライトに電波望遠鏡をのぞき「消えたバリオン」の謎解明に迫る

ユアンミン・ワンは最初のうちは興奮したりはしなかった。むしろほっとしていたかもしれない。シドニー大学宇宙物理学博士課程１年生の彼女はコンピューターの前に座り、いくつかの画像を見つめていた。彼女はそこに、まさに期待していた通り、遠く離れた銀河からの電波が瞬いたことを示す痕跡を発見していた。

とはいえワンの発見は、望遠鏡を通して見たというより、コンピューター上をくまなく探すことによって得たものだったし──そして、発見した内容自体がまったく奇妙なものだったので──彼女がその重要性を実感するまでしばらく時間がかかった。

「シンチレーション（星の瞬き）」として知られる電波の「瞬き」は、星やブラックホールなどから発生した放射線信号が、地球に来る途中で遮られることによって起きる。遠く離れた銀河からのシンチレーションが検出されることは極めてまれだ。夜空のごく小さな部分だけにしかこうした痕跡は見られず、ほとんどの望遠鏡はそのような高速の変化をとらえることができない。

だがワンは、同時に6つの銀河からのシンチレーションを発見した。さらにそのうちの5つは、真っすぐ一直線上に並んだ別々の銀河から発せられているように見えた。「わたしは思いました。そうか、空にこんな変わった形のものが見つかるのはこれが初めてなんだ、って」とワンは言う。

「それは間違いなく初めての発見で、わたしたちが何か見えないものを発見したことを意味していました。そう思った瞬間、この刺激的な結果の意味がようやくわかり始めたんです」

実はワンのチームを興奮させたのは、数十億光年の彼方から来た電波そのものではなく、その電波を遮って信号を一瞬点滅させたものの存在だった。それは、わたしたちの銀河のすぐ裏にある、冷たいガスでできた見えない雲に違いないとワンたちは考えた。そしてこの雲が、なぜ天の川銀河の物質の半分以上が行方不明になっているのかという長年の謎に答えてくれるかもしれないと。

「消えたバリオン」問題に挑む天文学者たち

宇宙科学のシミュレーションによれば、宇宙の全物質の95％はダークエネルギーとダークマターで、残りのわずか5％が陽子や中性子などのバリオン物質で構成されている。だがこのバリオン物質の総質量のうち半分は、いまだにその消息がつかめていない。

天文学者たちはこれまで、このミッシング・バリオン（消えたバリオン）が銀河と銀河の間にある空間に拡がったガスの束として存在することを示す説得力ある証拠を集めてきた。問題は、真っ暗な空のなかにまばらな雲や冷たい雲を見つけるのは難しいことだ。

「天文学で観察できるのは、基本的には光を発するものに限られています」と話すのは、シドニー大学で、今回この研究を指導した電波天文学者のタラ・マーフィーだ。「わたしたちが星や銀河やワームダストを見ることができるのは、それらが放射した熱を観察するからです。そうすることで、銀河の重さがどれくらいあるか考えることができるのです」

銀河をバックライトとして利用

わたしたちの銀河系は物質を隠すのがとてもうまいので、研究者たちは見えない宇宙の特徴を見つける新たな方法を考え出さなくてはならない。ワンとマーフィーのチームが偶然見つけたのは意外な道具──ブラックホール──だった。チームが超大質量ブラックホールをバックライトとして使って天の川銀河の細長いガス雲を見つけた方法については、『英王立天文学会月報』2021年4月号に掲載された論文に詳しく記されている。

チームは可視光を読み取る代わりに電波を収集した。電波は地球の大気に遮られることなく望遠鏡に届くからだ。ワンが見つけた電波を大量に放出する5つのスポットは、それぞれが活動銀河核（AGN）、つまり電波を噴出する超大質量ブラックホールを有する遠方の銀河だった。

各々のブラックホールから出る放射エネルギーは何十億光年もかけて地球にやって来るのだが、天の川を通過する最後のたった10光年で何かに引っかかってしまう。マーフィーのチームはこの何かを冷たいガスでできた謎の雲だと考えている。「はるか彼方からこの雲を貫いて輝く銀河をバックライトとして利用することによって、わたしたちはこの雲を唯一見ることができるのです」とマーフィーは言う。