Correlation of galactic very-high-energy gamma-ray sources detected by LHAASO with high-energy neutrinos
本研究では、LHAASOが検出した超高エネルギーガンマ線源とIceCubeの高エネルギーニュートリノ・アラートとの間に空間的な相関関係を示す説得力のある証拠は見出されず、現在のLHAASOの源がこれらのニュートリノの主要な対応天体である可能性は低いことが示唆されており、IceCube-Gen2のようなより高感度な将来の観測装置の必要性を強調している。
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南極大陸の凍てつく氷の奥深くには、宇宙で最も捉えにくい使者である高エネルギーニュートリノを捕らえるために設計された巨大な検出器が眠っています。これらは、質量がほぼゼロで電気的に中性な、幽霊のような粒子であり、星やガス、塵に遮られることなく宇宙を横断して旅することができます。数十年にわたり、科学者たちはこれらの起源を追い求め、それらが私たちの銀河における最も激しく、かつエネルギッシュなエンジンの場所を明らかにしてくれることを期待してきました。同時に、中国の高山台地に位置する別の観測装置は、超高エネルギーガンマ線を求めて空をスキャンしています。これらは最もエネルギーの高い光の形態であり、多くの場合、宇宙線（猛スピードで移動する原子核）が信じられないほどの速度まで加速された際に生成されます。天体物理学における長年の謎は、これらのガンマ線が電子によって作られるのか、それとも陽子によって作られるのかという問いです。もしこれらが陽子に由来するのであれば、同じ衝突によってニュートリノも生成されるはずです。ガンマ線の発生源とニュートリノが空の全く同じ場所からやってくることが見つかれば、それは決定的な証拠となり、宇宙が人類の作ったいかなる機械をも凌駕するエネルギーへと陽子を加速させていることを証明することになります。
研究チームは最近、二つの主要な観測装置、LHAASO（高高度空気シャワー観測装置）とIceCube（アイスキューブ・ニュートリノ観測装置）のデータを用いて、この関連性を検証することを試みました。LHAASOは空をマッピングし、医療用X線よりも100万倍も高いエネルギーに達するものを含む、90個の明確な超高エネルギーガンマ線源を特定しました。一方、IceCubeは、深宇宙からの潜在的な信号としてフラグが立てられた、数百もの高エネルギーニュートリノ事象を記録しています。科学者たちは、シンプルかつ深遠な問いを投げかけました。これらのガンマ線源とニュートリノ事象は、空において重なり合っているのだろうか？ もしガンマ線が陽子の衝突による副産物であるならば、ニュートリノも同じ場所から来ているはずです。
これに答えるため、研究者たちはLHAASOによって発見された90のガンマ線源の位置を、IceCubeによって記録された348のニュートリノ事象の位置と比較しました。彼らは特に、最もエネルギーの高いニュートリノ、つまりLHAASOが発見した強力な加速器と結びついている可能性が最も高い、エネルギー100 TeVを超えるものに焦点を当てました。チームは、ニュートリノ事象の位置の不確かさが、ガンマ線源の領域に触れている事例があるかどうかを調べました。厳格な位置の定義を用いた場合、9つのケースでニュートリノ事象がガンマ線源と位置を共有しているように見え、定義を少し緩めた場合には10のケースで見られました。
しかし、二つのものが同じ場所に存在することは、必ずしもそれらが関連していることを意味しません。空には多くの光源がひしめき合っており、ニュートリノはどこからでも届く可能性があります。これらの重なりが意味のあるものなのか、それとも単なる偶然の事故なのかを判断するために、チームは大規模なコンピュータ・シミュレーションを実行しました。彼らは、ガンマ線源を固定したまま、ニュートリノの位置を空中で何千回もシャッフルし、ランダムなニュートリノが純粋な偶然によってソースの近くに降り立つ頻度を調べました。このシミュレーションの結果、彼らが見つけた重なりは珍しいことではなかったことが示されました。実際、これほど多くの重なりが偶然に発生する統計的確率はかなり高いものでした。これは、得られたデータが、ガンマ線源とニュートリノが物理的に結びついているという考えを支持していないことを意味します。この空間的な一致は、共通の起源を示すものではなく、偶発的なものと考えられます。
研究者たちは調査を一歩進め、理論的な問いを投げかけました。たとえ位置が一致したとしても、これらのソースは実際にIceCubeが観測しているものを説明できるほどのニュートリノを生成できるのだろうか？ 彼らは、最も好ましいシナリオを想定しました。すなわち、LHAASOによって検出されたすべてのガンマ線が、必然的にニュートリノを生み出すプロセスである「陽子とガスの衝突」によって生成されたと仮定することです。この仮定の下で、これらのソースがこちらに送っている可能性のあるニュートリノの最大数を計算しました。この理論上の最大値を、実際にIceCubeが検出したニュートリノの数と比較したところ、結果は期待外れでした。ほとんどのソースにおいて、理論的なニュートリノ出力は、観測されたニュートリノ事象を説明するにはあまりにも低すぎました。すべてのガンマ線が陽子の活動の兆候であるという最も楽観的なケースにおいても、これらのソースにはIceCubeが捉えているニュートリノを生み出すだけのパワーが備わっていないのです。
この研究は、これらのソースのいくつかが確かに宇宙の粒子加速器である可能性を否定するものではありませんが、それらが現在までに検出された特定のニュートリノ事象に対して責任を負っているわけではないことを示唆しています。この強い結びつきの欠如は、ガンマ線が陽子ではなく電子によって生成されているか、あるいは、ニュートリノがまだ発見されていない別のソースから来ているかのいずれかであることを示唆しています。この知見は、現在の理解におけるギャップを浮き彫りにし、より高感度な計器の必要性を指し示しています。研究者たちは、銀河宇宙線の謎を真に解明するためには、より微かな信号を捉え、より高い精度でソースを特定できるIceCube-Gen2のような、より優れた感度を持つ検出器が必要であると結論付けています。それまでは、これら高エネルギーのガンマ線の灯台と、幽霊のようなニュートリノとのつながりは、次世代の宇宙観測装置からのより明確な証拠を待ちながら、開かれた問いとして残されることになります。
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