科学者たちはついに、天の川銀河内で陽子を銀河内で最も目を見張るようなエネルギーにまで加速する源を特定した。この発見は、宇宙線、つまり星々の間を超高速で飛び交い、銀河全体で大騒ぎを引き起こす超高速粒子を理解する助けとなるだろう。

宇宙線は主に陽子で、わずかに電子が混ざっている。その中には、私たち人間が作った加速器が生み出せるものよりもはるかに強力なものもある。スイスとフランスの国境にある大型ハドロン衝突型加速器は陽子を光速近くまで加速できるが、自然の加速器は明らかに私たちを凌駕しているようだ。

広島大学が率いる国際チームは、地上と宇宙の3つの主要な観測所の観測を組み合わせることで、この銀河加速器を確認した。結果は2026年7月16日に『The Astrophysical Journal』に掲載された。

「この莫大なエネルギーにより、宇宙線は天文学と天体物理学において重要です」と、広島大学宇宙科学センターの准教授で、この研究の筆頭著者かつ責任著者である水野恒史氏は述べた。

宇宙線のエネルギーは電子ボルトで測定される。これは、電子の電位が1ボルト上昇したときに得るエネルギーである。最高レベルの銀河宇宙線は、1京（10^15）電子ボルト、つまりペタ電子ボルト（PeV）に達し、それを超えることもある。そのPeVレベルを超える宇宙線陽子加速器、すなわち陽子PeVatronを見つけることは、現代の天体物理学における最もホットな課題の一つである。そして彼らは、以前LHAASO J1912+1014uとして知られていた天体を発見した。

陽子PeVatronは、陽子をPeVの閾値を超えて押し上げる自然の宇宙加速器である。これらを発見するのは、陽子の信号を超高エネルギーの電子の信号から分離しなければならないため、難しい。

チベットASガンマ実験（1990年からの日中共同プロジェクト）と中国の高高度空気シャワー観測所（LHAASO）は、0.1 PeVを超える数十のガンマ線源を検出していた。そのうちの一つがLHAASO J1912+1014uである。ガンマ線は電磁放射の最もエネルギーが高い形態であり、宇宙線粒子が周囲と衝突するときに生成されることが多く、そのエネルギーは通常、それを生成した宇宙線の約10分の1である。したがって、PeV範囲以下のガンマ線を生成する源は、有力なPeVatron候補である。以前の研究では、LHAASO J1912+1014uはパルサー風星雲または大質量星の爆発の残骸である可能性が示唆されていた。

「しかし、チベットASガンマとLHAASO実験のデータだけでは、陽子PeVatronを明確に特定することはできません。PeV宇宙線電子も低エネルギーのガンマ線を生成する可能性があるからです」と水野氏は述べた。画像解像度が限られていたため、研究者たちはガンマ線の背後に陽子がいるのか電子がいるのかを判断できなかった。

そこに登場したのが、フェルミ大型望遠鏡（Fermi-LAT、NASA主導で広島大学も協力）、野辺山45m望遠鏡によるFUGIN（FOREST Unbiased Galactic plane Imaging survey with the Nobeyama 45-m telescope、日本主導）、そしてNASAのチャンドラX線観測衛星である。LHAASO J1912+1014uは2024年に、夏の大三角の有名な星であるアルタイルの近くのわし座で発見された。当初は超新星残骸とされていたが、100 TeVを超える放射が現れた後、その考えは揺らいだ。

「複数の実験からのデータを用いて、我々はLHAASO J1912+1014uを詳細に研究しました」と水野氏は述べた。観測所は電波からガンマ線までの電磁スペクトルの広い範囲をカバーし、チームは詳細な多波長モデルを構築することができた。

Fermi-LATはギガ電子ボルト（GeV、10億電子ボルト）付近のガンマ線を測定した。チャンドラはより低エネルギーのX線観測を提供し、FUGINはさらに低エネルギーの電波データを提供した。LHAASOなどからのテラ電子ボルト（TeV）観測と組み合わせることで、その全体像はLHAASO J1912+1014uが陽子PeVatronであることを強く示し、他の説明を排除した。

3つの重要な発見が決め手となった。まず、ガンマ線信号は100兆電子ボルトを超えるエネルギーから滑らかに広がっていた。