4年経った今、新たな実験では「宇宙の夜明け」の兆候は見られない

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2018年、オーストラリアの奥地でEDGESと呼ばれるアンテナを運用する天文学者たちは、特定の周波数の電波が夜空から到来する他の電波よりも著しく暗いことを報告した。Nature誌に掲載されたこの発見は、ビッグバン後の最初の星の誕生、つまり「宇宙の夜明け」と呼ばれる出来事からの画期的なシグナルとして注目を集めた。この出来事こそが、光にそのようなサインを刻み込むはずだったのだ。

さらに、EDGESが観測した電波スペクトルのディップは、宇宙学者の予測とは著しく異なっていました。このデータは、初期宇宙が驚くほど冷たかったことを示唆しており、世界中の天文学者による多くの理論研究や信号の検証の試みを引き起こしました。

2月には、インド・バンガロールのラマン研究所のチームが、SARASと呼ばれる電波アンテナを用いてEDGESのディップを探査した結果を発表しました。天文学者たちは2020年初頭、インドの辺鄙な湖2つにアンテナを浮かべ、データ収集を途中で切り上げて、最初の新型コロナウイルスによる都市封鎖が始まる数時間前にバンガロールに戻りました。パンデミックの間中データの分析を続けた後、SARASチームは今回、Nature Astronomy誌に、 EDGESで観測されたディップの痕跡は見つからなかったと報告しています。

「もし本当に空にあったのなら、彼らのデータにも再現されているはずだ」と、カリフォルニア大学バークレー校の電波天文学者アーロン・パーソンズ氏は述べた。パーソンズ氏はどちらの実験にも関わっていない。「そこに大きな余地は見当たらない」

アリゾナ州立大学を拠点とするEDGES実験のリーダー、ジャッド・ボウマン氏は、この問題を解決するにはさらなる研究が必要だと述べています。「彼らの初期観測結果を見るのが楽しみです」とボウマン氏はメールで述べ、「この種の観測は困難であることを考えると、この新たな研究を評価し、進行中の調査に統合するには、今後かなりの作業が必要になるでしょう」と付け加えました。

水素原子は波長21センチメートルの電波を自然に吸収・放出します。EDGESとSARASは、まさにこの電波の検出を目指しました。地球に到達するまでに、電波は宇宙の膨張によって引き伸ばされます。より遠くにある水素雲からの電波は、より近い距離にある雲から最近放出された電波よりも長い時間膨張し、より長い波長で地球に到達します。この光の引き伸ばしは、天文学者に宇宙史における出来事のタイムスタンプ付き記録を与えます。

天文学者たちは半世紀以上にわたり、近傍銀河の研究に21センチメートルの放射を利用してきました。しかし近年では、EDGESやSARASといった実験によって、地球や銀河の電波干渉によってより遮蔽されるより長い波長の放射の測定を開始し、より過去の深部にある水素雲からの放射を探しています。

水素原子が最初に形成されたとき、それらは周囲の21センチメートルの放射線を同じ割合で吸収し、次に放出したため、原始宇宙を満たしていた水素の雲は事実上目に見えなかった。

そして宇宙の夜明けが訪れた。最初の星からの紫外線が原子核の遷移を刺激し、水素原子は21センチメートル波を放射するよりも多く吸収するようになった。地球から見ると、この過剰な吸収は特定の電波波長における輝度の低下として現れ、星が光り輝く瞬間を示す。

やがて、最初の星々はブラックホールへと崩壊しました。これらのブラックホールの周りを渦巻く高温ガスはX線を発生し、宇宙全体の水素雲を加熱し、21センチメートルの放射率を増加させました。私たちはこれを、古い光よりもわずかに短い電波波長における明るさの上昇として観測します。結果として、EDGESで検出されたように、狭い電波波長範囲における明るさの低下が観測されます。

しかし、波長4メートル付近で観測されたこのディップは、理論宇宙論者たちの予想とは異なっていました。谷のタイミングと形状がずれていたため、最初の星が驚くほど早く活動を開始し、その直後にX線が宇宙に溢れ出たことが示唆されています。さらに奇妙なことに、このディップは非常に顕著で、初期宇宙の水素は理論モデルが予測するよりも冷たかったことを示唆しています。これは、宇宙を満たす暗黒物質との異質な相互作用によるものと考えられます。

あるいは、EDGES の低下はもっとありふれた原因によるものかもしれません。

宇宙の黎明期から地球に届く21センチメートルの水素放射は、FMラジオやテレビ放送に用いられる数メートルの波長で地球に到達します。だからこそ、EDGESはこれほど辺鄙な場所で運用されていたのです。さらに、この信号は私たちの銀河系から数千倍も明るい電波放射に圧倒され、地球の大気圏上層を通過することで歪んでしまいます。

アンテナ自体の微妙な影響も同様に重要です。電波アンテナの設置環境は、夜空の受信感度範囲をわずかに変化させる可能性があります。このような精密な実験では、数十メートル離れた地表からの微弱な反射でさえも重要になります。こうした反射の影響は特定の電波波長で増大し、アンテナの観測範囲、ひいては測定される輝度にわずかな変化が生じる可能性があります。

EDGESチームはデータにこの種の波紋を確かに観測しており、その主たる原因は、おそらく当然のことながら、アンテナの周囲に設置された地上からの電波を遮る幅30メートルの金属スクリーンの縁だった。チームは解析において、これらの縁からの反射の可能性を補正したが、当時一部の天文学者が指摘したように、補正が少しでもずれると、実際の宇宙の夜明け信号と区別がつかないほど狭い波長域で背景の明るさが低下する可能性がある。

SARASチームは、全波長域における感度の均一性向上を目指し、アンテナ設計に独自のアプローチを採用しました。「設計理念の根幹は、スペクトルの滑らかさを維持することです」と、SARAS論文の筆頭著者であるサウラブ・シン氏は述べています。発泡スチロール製のいかだに支えられたアルミ製の円錐形のアンテナは、静かな湖の真ん中に浮かべられ、水平方向100メートル以上反射が起こらないように設計されました。パーソンズ氏はこれを「実にクールで革新的なアプローチ」と評しました。さらに、水中での光速が遅いため、湖底からの反射の影響が軽減され、水の密度が均一なため、環境のモデル化がはるかに容易になりました。

最終的に、SARASチームは4メートル波長付近で滑らかなスペクトルを計測し、EDGESで観測されたような大きな落ち込みは見られなかった。（実際に落ち込みがあるかどうかはまだ不明である。パーソンズ氏は、SARASチームが自らの測定結果の微妙な点を理解するために、さらなる研究が必要だと強調している。）

モントリオールにあるマギル大学の電波天文学者、H・シンシア・チャン氏は、どちらの実験にも関わっていないが、EDGESとSARASはどちらも校正と分析の手順が非常に徹底しており、どちらの結果が正しいかを判断するのは時期尚早だと述べている。「意見の相違は人々を不安にさせるほどですが、話はこれで終わりではありません」とチャン氏は述べた。「私から見ると、それが興奮を増すのです」。チャン氏は、南アフリカ南端から1000キロ沖合の小さな島で実施されるPRIZMと呼ばれる別の追跡実験を主導している。この島では、SARASにとって最大の課題である地上からの電波干渉がほぼ完全に存在しない。

パーソンズ氏は、SARASの無結果が今後も維持されると予想している。もしそうなら、宇宙の夜明けの信号は現在の観測機器では捉えられないほど微弱であることを意味するかもしれない。「しかし、だからといって、EDGESがこの分野を前進させてきた多大な革新性を軽視すべきではないと思います」と彼は述べた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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