宇宙線は1912年の発見から100年以上研究されてきましたが、いまだに答えの出ていない謎が残っています。 ここでは、世界中の研究者が今も挑み続けている代表的な未解決問題を紹介します。
最高エネルギー宇宙線はどこから来るのか #
観測史上、1個の粒子が持つエネルギーとしては信じがたいほど高いエネルギーの宇宙線（超高エネルギー宇宙線）が、まれに地球に届くことが分かっています。 その最高記録は、人類が作った最大の加速器（LHC）が生み出すエネルギーをはるかに超えます。
これほどのエネルギーを粒子に与えられる天体は限られており、超新星残骸や活動銀河核（AGN）などが候補に挙がっていますが、どの天体が実際に超高エネルギー宇宙線を生み出しているのかは、まだ特定されていません。 超高エネルギー宇宙線は極めてまれにしか届かないため、広大な検出器網で長期間観測しないと十分なデータが集まらないことが、謎の解明を難しくしています。
近年の例としては、2021年にアメリカ・ユタ州のテレスコープアレイ実験で、244エクサ電子ボルトという桁外れのエネルギーを持つ宇宙線が観測されました。 日本の研究チームも参加するこの成果は2023年に発表され、日本神話の女神にちなんで「アマテラス粒子」と名付けられました。 観測史上2番目に高いエネルギーを持つこの粒子も、どの天体から来たのかは特定されておらず、未解決問題の実例のひとつになっています。
GZK限界という謎 #
理論上、超高エネルギーの宇宙線は、宇宙空間を満たす宇宙マイクロ波背景放射（ビッグバンの名残の光）と衝突し、エネルギーを失いながら伝わるため、あまり遠くの天体からは届かないはずだと予測されています。 これをGZK限界と呼びます。
観測されている宇宙線の多くはこの予測とおおむね一致していますが、アマテラス粒子のように、GZK限界を超えているように見える宇宙線が報告された例もあり、議論が続いています。 観測データを増やし、精度を上げることが、この謎を解く鍵になると考えられています。
宇宙線の組成の謎 #
宇宙線を構成する粒子（陽子・ヘリウム原子核・重元素の原子核など）の割合は、エネルギーによって変化することが分かっています。 この組成の変化は、宇宙線がどんな天体でどのように加速されたかを知る手がかりになりますが、観測技術の限界から、まだ精度よく決着がついていません。
OSECHIと宇宙線研究のこれから #
こうした未解決問題の多くは、超高エネルギー宇宙線という非常にまれな現象を扱うため、世界中に広く展開された検出器網による長期観測が欠かせません。 OSECHIのような小型検出器を使った市民科学の広がりは、直接この謎を解くものではなくても、宇宙線観測という営みそのものへの理解を広げ、将来の研究を支える土台になっていくと考えられます。
参考文献 #
- Telescope Array Collaboration, “An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array,” Science (2023). arXiv:2311.14231