宇宙線とは宇宙を飛来する原子核  

 宇宙線(Cosmic ray)は、宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線のことである。主な成分は陽子であり、アルファ粒子、リチウム、ベリリウム、ホウ素、鉄などの原子核が含まれている。地球にも常時飛来している。

 1912年以降、ビクター・フランツ・ヘスは、気球を用いた放射線の計測実験を繰り返し、地球外から飛来する放射線を発見した。この業績により、彼は1936年にノーベル物理学賞を受賞している。

 宇宙線のほとんどは銀河系内を起源とし、超新星残骸などにより加速されていると考えられている。これらは、銀河磁場で銀河内に長時間閉じ込められるため、銀河内物質との衝突で破砕し、他の原子核に変化することがある。



 実際、Li、Be、B、Sc、Vなどの元素の存在比が、太陽系内のものと宇宙線中とで大きく異なることが知られている。このため、宇宙線の元素比や同位元素の存在比を測定することで、宇宙線の通過した物質量を推測することが出来る。

 エネルギーの高い宇宙線の到来頻度は極端に低くなるが、そのエネルギーは、宇宙線の加速は熱的なものではなく、星間磁気雲や衝撃波との衝突を繰り返すフェルミ加速のような機構が考えられる。

 地球大気内に高エネルギーの宇宙線が入射した場合、空気シャワー現象が生じ、多くの二次粒子が発生する。寿命の短いものはすぐに崩壊するが、安定な粒子は地上で観測される。このとき、大気中に入射する宇宙線を一次宇宙線、そこから発生した粒子を二次宇宙線と呼ぶ。 一次宇宙線の大部分は陽子をはじめとする荷電粒子である。それに対して、二次宇宙線は地上高度では大半がμ粒子である。

 粒子加速器などで人間が作り出せるエネルギーは、重心系で最大1013 eVのオーダー(CERNで計画されているLHCが 1.4×1013 eV)であり、実験室系に換算しても、1017 eV程度である。それに対し、宇宙線のエネルギーは実験室系で最大 1020 eVに達する。このため、宇宙線によって超高エネルギー領域での素粒子反応について重要な知見を得ることができる。 実際に、様々な新粒子が素粒子実験より先に宇宙線中から見つかった。


 見えたぞ最高エネルギー宇宙線源の影

 最高エネルギー宇宙線は深い謎に包まれている。その猛烈な宇宙線が過剰に飛来する「ホットスポット」の兆候を初めて北半球の空で捉えた、と東京大学宇宙線研究所などのグループが7月8日発表した。

 米国ユタ州のTelescope Array(TA)宇宙線観測装置で5年間観測して、最高エネルギー宇宙線源の一端が見えてきた。7月の米天文学誌Astrophysical Journal Lettersに論文を掲載、世界の29研究機関から126人が参加する国際共同研究グループの長い努力の成果である。

 広いエネルギー領域にわたって宇宙線はあらゆる方向から等しく地球にやってくる。これまでに観測された宇宙線の到来方向では、「特別な方向」は見つかっていなかった。東京大学宇宙線研究所を中心とした国際共同研究グループは、米国ユタ州に建設したTA宇宙線観測装置で2008年から5年間取得したデータを解析し、5.7×1019電子ボルト以上の最高エネルギー宇宙線が過剰に飛来するホットスポット(直径40度の範囲)の兆候を見つけた。

 このホットスポットは、北斗七星を含むおおぐま座の足元の方向にあり、その領域の大きさは北半球の空の6%に相当する。TA宇宙線観測装置が5年間で観測した最高エネルギー宇宙線は72事象あった。最高エネルギー宇宙線が等方的に到来すると仮定した場合、直径40度の円内から来る最高エネルギー宇宙線の数は4.5事象と予想されるが、実際には、72事象の26%に当たる19事象が到来していた。この偏りが偶然に現れる確率はわずか10万分の37と算定できた。


 最高エネルギー宇宙線がつくる空気シャワー

 最高エネルギー領域の宇宙線は、100平方kmの地表(山手線の面積程度)に1年に1例観測される程度のごくまれな現象。TA宇宙線観測装置は北半球で最大の宇宙線検出器で、東京23区よりやや広い700平方kmの米国ユタ州の砂漠(標高約1400m)に、地表粒子検出器507台を1.2km間隔の碁盤目状に展開して、最高エネルギー宇宙線が地球大気に入射して発生する空気シャワーを検出するようにした。1000億個を超える低エネルギー粒子群の空気シャワーが発する大気蛍光は、周りに設置した3台の大気蛍光望遠鏡で検出した。

 最高エネルギー宇宙線は途中の天体や物質の影響を受けずに直進してくると考えられており、線源を絞り込めば、発生した天体がわかる。今回見つかったホットスポットの方向には、特に知られた高エネルギー天体はないが、少しずれた方向には銀河の集団がある。宇宙線がどのように1020電子ボルトに至るエネルギーを獲得しているかは宇宙物理学の大きなテーマといえる。そのエネルギーは世界最大の加速器LHC(欧州)の1000万倍にも達し、人類が経験できる最高エネルギー現象でもある。最高エネルギー宇宙線源の候補としては、活動的な銀河核やガンマ線バースト、超強磁場をもつ中性子星などが想定されている。

 研究グループの川田和正東京大学宇宙線研究所特任助教は「最高エネルギー宇宙線源があるのは理論的に約1.5億光年以内に限られる。今後最高エネルギー宇宙線の観測例を増やして、これら宇宙線の発生源となるような宇宙現象を突き止めたい。観測数を増やせば、複数のホットスポットが見つかる可能性もある。この観測は、新しい極高エネルギー粒子天文学を開拓することにもなる」と話している。(サイエンスポータル)


 宇宙線の正体は?

 京都大学の田中孝明助教や広島大学、宇宙航空研究開発機構(JAXA)、米国 SLAC国立加速器研究所などの国際研究チームが「決定的な証拠を見つけた」と発表した。発見から100年、ついに宇宙線の源が特定された。

 宇宙から地球に降り注ぐ宇宙線(一次宇宙線)の大部分(90%)は陽子で、9%がヘリウムなどの原子核、1%が電子だという。最近の観測によって、宇宙線の電子成分は超新星残骸が起源であることが分かってきたが、陽子や原子核については観測的な裏付けはなかった。

 研究チームは、ふたご座の方向にある「IC 443」とわし座方向にある「W44」という2つの超新星残骸について、日欧米が打ち上げた「フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡」の2008年から12年までの観測データを解析した。その結果、いずれの超新星残骸からも、陽子や原子核が周囲のガスと衝突することで発生したガンマ線に特有なエネルギー分布が得られたという。(サイエンスポータル)


 土星で加速される宇宙線

 さらに、宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2月18日、土星探査機「カッシーニ」のデータを解析した結果、太陽系を含む銀河系(天の川銀河)においてどのように高エネルギー粒子(宇宙線)が作り出されているのかという問題に関する新たな知見を得ることに成功したと発表した。

 宇宙空間には磁場が存在していることから、宇宙線の研究を進めていくためには磁場の効果を理解する必要があるが、磁場の効果を地上の常識から予想することは困難であるため、実際の測定データに基づいた研究が求められていた。

 しかし、数千光年の彼方で起こる超新星爆発に伴う衝撃波を詳細に分析することは難しいという課題があった。また、太陽系にも電離ガスの超音速流は存在しており、衝撃波を観測することが可能ながら、弱いものがほとんどで、超新星残骸が発生させるレベルの強い衝撃波に関する知見をそこから得ることは困難であったという。

 しかし、1997年10月に打ち上げられた土星探査機「カッシーニ」が土星周回中の2007年2月3日に太陽風が土星の磁気圏に衝突することで生じた強い衝撃波を観測。これにより、太陽系における観測史上最大級の高いエネルギーを持つ電子(相対論的電子)が、強い衝撃波にともなって実証に基づいた形で確認されたという。

 研究グループが解析を実施した結果、この時の磁場の状態は従来の観測などの知見から、電子加速を起こさない条件として考えられていた、流れの向きが磁力線とほぼ平行であることが判明したという。従来の知見と今回確認された成果が異なることについて研究グループは、従来、太陽系で観測されていた対象が弱い衝撃波であったことにより条件が異なることが、相違が生じた原因だと考えられると説明している。


参考 サイエンスポータル:見えたぞ最高エネルギー宇宙線源の影 アイラブサイエンス:宇宙線の起源特定・土星の磁場で加速される宇宙線


太陽地球系物理学 -変動するジオスペース-
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宇宙線はどこで生まれたか (モダン・スペース・アストロノミー・シリーズ)
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