水素は自然界で最も単純な原子であると同時に、最も豊富に存在します。それは星を輝かせ、それによって生命を可能にする燃料です。
今回、ブリティッシュコロンビア州にある独自の電波望遠鏡を使って研究している天文学者らが、これまでで最も遠い距離からの測定を行い、深宇宙に水素原子がどのように分布しているかを示した。
この結果は、ビッグバン後に物質がどのように組織化され、今日私たちが知っている宇宙を構築したかについての新たな全体像を裏付けるものとなった。
「私たちが実際に観察しているのは、巨大な銀河団と銀河群、そして宇宙の密な構造を構成するフィラメントです」と、この研究を主導したチームの主任研究者であるブリティッシュコロンビア大学教授のマーク・ハルパーン氏は述べた。
彼と彼の同僚が信号をよりよく理解するために取り組んでいると、それによってより野心的なことが可能になるかもしれない、それは宇宙の膨張速度の直接測定である、と彼は述べた。これは、膨張の加速を引き起こしていると考えられている未知の現象であるダークエネルギーの影響を測定する独立した方法を提供するでしょう。
この検出は、ブリティッシュコロンビア州ペンティクトンに拠点を置くカナダ水素強度マッピング実験（CHIME）を使用して行われました。
これは、空からの電波を受動的に収集する一連のトラフ状のアンテナで構成されています。地球が自転するにつれて、アンテナは北の空を横断し、広大な宇宙から徐々にデータを収集します。この機器の心臓部は、さまざまな方向から来るすべての情報を解きほぐし、ラジオ空の一貫した画像に変える高度なコンピューター システムです。
2017 年に初めて作動して以来、CHIME はパルサー (天の川銀河全体に点在する高速回転する恒星の死骸) や高速電波バースト (私たちの銀河系をはるかに超えた銀河内部の発生源からの短いが強力な電波エネルギーのバースト) など、幅広い電波源を定期的に検出してきました。
しかし、CHIME の当初の目標は、銀河間の冷たい深さにある水素原子によって生成される、はるかに静かな拡散電波放射を検出することでした。作業開始から 9 年が経過し、このプロジェクトはこの目標を達成したようです。
月曜日にアストロフィジカル・ジャーナルに掲載された2つの研究で、天文学者らは、これまでの測定よりもはるかに遠い、地球から約80億光年の距離で水素信号を検出したことを明らかにした。信号を分析すると、水素が空間にどのように詰まっているかがわかり、宇宙の大規模な物質構造をマッピングする他の方法とほぼ一致していることが判明した。
「それが CHIME の目的で設計されたことです」とハルパーン博士は言いました。
チームメンバーらは、天の川の周りを通過する電子が放出する複合電波ノイズが背景の弱い水素信号よりも最大1万倍も強いことも一因で、結果を出すのは予想よりも難しかったと述べた。
「非常に弱い信号を検出するには、非常に大きな信号を差し引く必要があります」と、このデータを扱ったトロント大学ダンラップ研究所の博士研究員アーナブ・チャクラボーティ氏は言う。
同氏は、もう一つの課題は天文台周辺の無線環境であると付け加えた。制限はあるものの、インターネットと常時接続している自動車や個人用デバイスの電子機器の普及により、人為的な無線干渉がますます氾濫している。
研究結果を得るために、チームは 2,000 日間にわたって収集したデータから開始し、電波干渉のないわずか 94 日間までデータを短縮しました。この期間は宇宙の水素信号を検出するのに理想的な条件でした。
チャクラボルティ博士は、自分たちが見ているものが本物であると確信するために、自分と他の人々が2年以上データを使って研究したと語った。
不要な無線ノイズを除去するために、研究チームは、大きな水素雲の間隔が数十億年前にどのように変化したかを示すデータを削除する必要がありました。今後の分析でこれを再確立できれば、宇宙の歴史の初期の時点での暗黒エネルギーの強さを推定できるようになるでしょう。
CHIMEは、宇宙の歴史と性質を明らかにするために水素を使用する「大きな可能性を秘めた」世界でも数少ない施設の一つであると、共同研究には参加していないウォータールー大学の天体物理学者ウィル・パーシバル氏は述べた。
「これはデータから引き出すのが簡単なシグナルではなかった」と彼は付け加えた。 「この結果を達成した CHIME チームにおめでとうございます。
