ニュートリノは「あの天体から！」—日本チーム世界初発見の舞台裏
2004年の建設開始から約13年。南極の地下数km、氷の中でじっと待ち構える5160個の「目」がついに「待ち望んでいたシグナル」をとらえた。宇宙の遥か彼方から届いた、高エネルギーニュートリノを世界最大のニュートリノ観測所IceCube（アイスキューブ）が観測したのである。
どのくらい遥か彼方か、と言えば40憶光年先。ニュートリノと言えば思い浮かぶのがカミオカンデで観測された超新星1987Aからのニュートリノだ。超新星1987Aの距離は約17万光年。銀河系近くにある大マゼラン雲で発見された天体だ。一方、今回観測された天体（TXS0506＋056）は私たちの銀河系の外にあり、40億年もの長い時間をかけて地球に届いた計算になる。40億年前と言えば地球誕生から間もない頃。よくぞ長旅の途中、南極を通ってくれたものだ。
そして、放射源が遠いだけでなくこのニュートリノは「爆裂的」、エネルギーが非常に高いことも特徴だ。今回のニュートリノのエネルギーは可視光エネルギーの約100兆倍。超新星ニュートリノと比べても8桁ほど高い。それほどエネルギーの高いニュートリノを放つ天体の正体はいったいなんだろう？「ブレーザー」と呼ばれる銀河の一種で、中心に超巨大ブラックホールをもつ。ブラックホールに物質が落ち込む際に大量のエネルギーがジェットとして放出されるが、そのジェットが地球方向を向いているため、ガンマ線や高エネルギーニュートリノが出やすいとされている。
「宇宙は静的なものでなく、ものすごくダイナミックであり、非常にエネルギーが高い破壊的な現象が起きているという予想はあった。今回の観測で初めて（あの天体だ）と特定できた」と千葉大学ハドロン宇宙国際研究センター長の吉田滋教授は喜びを隠さない。
実は私は2004年、南極のニュートリノ観測施設アイスキューブ計画について吉田先生に取材した（過去コラム：あわせて読みたい！参照）。同計画は世界12か国49機関が参加する国際プロジェクトで日本では唯一、千葉大学グループが参加している。「2004年は建設が始まるころで、モノづくりや解析、シミュレーションのプログラム開発で忙しかった。このような結果が出るかはわからなかったが、宇宙ニュートリノ自体は絶対に見つかるだろうし、見つけるなら絶対に僕らのグループから最初に見つけると誓っていた」。南極は1年で約2ヶ月しか建設期間がとれないため、アイスキューブが完成したのは2011年。長い期間がかかったわけだが吉田教授の発言中「絶対」（×2）、「誓った」という強い言葉が象徴するように、強い意志と戦略が今回の成功を引き寄せた。
「文化の壁を超える」方針変更と、戦略が呼び寄せた快挙
今回のニュートリノ観測成功は、太陽と超新星以外の3例目であり、世界中で大発見！と報道された。実は、これまでもアイスキューブで宇宙ニュートリノが観測されたことはある。最初の観測は2012年。日本グループの仕事だった。しかし「どの天体から」そのニュートリノが放たれたかを特定することはできなかった。その反省をふまえ、日本チームは大きな方向転換に舵を切る。
一つは、ニュートリノが観測されたら、即座に測定情報をアラートとして送信すること。世界の観測施設が追観測できるようにするのが目的だ。今回のニュートリノの情報も、検出後わずか43秒でアラート情報として発信されている。このアラート作成には「コミュニティの壁を破る」必要があった。今でこそ「マルチメッセンジャー天文学」が広まり、ある天文現象が観測されると多波長の電磁波、ニュートリノ、重力波など多様な手段で観測する手法が常識になりつつあるが、「ニュートリノ業界では（観測データは）知的財産であり、論文を書かずに外部に公表する文化はなかった」（吉田教授）。しかし、マルチメッセンジャーというアプローチを使えば、宇宙の理解は格段に進む。文化の壁を越え、千葉大学は高エネルギーニュートリノのアラートシステムの開発や実装を担当。2016年に稼働し始めた。
そしてもう一つが観測側の戦略だ。たとえば今回、高エネルギーニュートリノが「どの天体からやってきたか」を世界で最初に突き止めたのは、広島大学の田中康之特任助教（当時）が率いるグループだった。その戦略とは「ブレーザーカタログ」を準備していたこと。
ニュートリノアラートでは、ニュートリノ天体の方向やエネルギー、発生時間などの情報が記されているが、実際に観測するとなると範囲はかなり広い。銀河が無数にあり、どこから手をつけていいかわからない。そのために過去は発生源を特定できずに終わった。そこで高エネルギーニュートリノの発生源の一つとして考えられ、比較的観測しやすい「ブレーザー」に的を絞って、あらかじめ「ブレーザー（天体）カタログ」を準備しておいたのだ。
実際、2017年9月23日朝5時54分に高エネルギー宇宙ニュートリノ事象が検出されたあと、広島大学の田中氏が率いるグループは夜が訪れるや否や同大学のかなた望遠鏡で観測を開始。アラートの範囲にある7つの天体中、TXS0506＋056が増光していることを当時、大学院生の森裕樹さんが発見した。
ブレーザー天体が高エネルギーニュートリノを放射すると明るさが変動し、同時にガンマ線が出ることも知られている。田中氏はガンマ線衛星「フェルミ」グループとも仕事をしていたことから、同天体のガンマ線の明るさを調べた。「フェルミでも増光していることを見つけた時は震えました」（田中康之さん）。その明るさは通常の約6倍。この発見は田中氏らによっていち早く世界に速報として流れ、世界中の天文台が一斉に追観測を実施。大きな成果につながった。人類の宇宙の理解に日本が大きな貢献を果たしたのだ。
吉田教授は「建設を始めたころは、他波長での後追い観測は想定していなかった。しかし途中で戦略を変えてマルチメッセンジャー天文学の方向に行ったのが正解だった。ガンマ線でも増光した観測結果を見たとき『やった！』と思った」とふり返る。
アイスキューブはさらなる挑戦へ
アイスキューブ観測所は南極点近くの1km×1km×1kmにわたって作られた世界最大のニュートリノ観測施設だ。約125m間隔で2.5kmの深さの穴を86本あけ、その中を球形の光検出器を縦に連なるように設置している。
今後の目標は、より観測数を増やし、確実なニュートリノ天文学を増やすこと。そのために現在の検出器の周りにさらに120本の穴をあけ、それぞれに100個の光検出器を設置。コストを上げずに有効検出体積を7倍に増やす計画「Ice Cube-Gen2（ジェンツー）」に向かっている。最初の段階、フェーズ1は2021～2022年冬頃を目指す。光電子増倍管を2個つなげた形の光検出器を千葉大学でデザイン、生産し現在のアイスキューブ検出器の中心部に埋設する計画だという。
実は高エネルギー宇宙ニュートリノを出す天体について吉田教授は「ブレーザーが最有力候補とは思っていなかった」という。見つけやすい天体だから最初に見つかったが、ブレーザーが高エネルギーニュートリノを出す天体の多数派かどうかはわからないと。では何が高エネルギー宇宙ニュートリノの本命なのか？
「例えばガンマ線バースト。ただし光の観測では暗くて見つけにくい」しかし不可能ではないと思っている。アイスキューブでは年に3～4回、高エネルギーニュートリノを観測しているという。次の発見は何か、そして宇宙のどんな天体から飛来するのか。南極の氷原深くにある数千個の目が、今も静かにその時を待ち受けている。
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