宇宙への旅人

宇宙はそれ自体が量子物体で、無数にある宇宙と相互に作用している可能性（ロシア研究）



あるものが同時に複数の場所に存在しうる――それが量子の世界であって、人類が知る現象としてはおそらくもっとも驚くべきものです。

　もし、それがミクロの領域やシュレーディンガーのネコにとどまらず、この宇宙自体がひとつの量子物体で、他の宇宙と相互に作用しているのだとしたら？

　ちょっと何を言っているのかわからないかもしれない。だが、それがロシア、イマニュエル・カント・バルト連邦大学の研究グループが導き出した結論です。

リビングで寝そべりながら、キッチンで餌を食べる猫

　あなたのお家の猫はリビングのソファでゆったりと寝そべっている。それでいて、キッチンではボウルに盛られた餌を食べている。

　そんな場面を想像することができるだろうか。猫はどちらかにいるのでなく、同時にソファとボウルがあるところに存在しているのです。

　しかし、それはあなたが猫を観測する前の話です。あなたがその姿を目撃した瞬間、猫の居場所はソファかボウルかどちらかに限定されてしまう。これが量子の世界です。


David D from Pixabay

　もちろん、猫でこのことを証明しようとしてもむずかしいかもしれない。だが、電子のようなミクロの世界では、確かにそのような振る舞いを計算から導き出すことができます。

　電子を観測すれば、それは1ヶ所にあり、それを記録することもできる。だが、観測していないときは、同時に複数の場所に存在する。その様子を「電子雲」という。常人の脳では容易に理解できない摩訶不思議な世界です。

物体が瞬時に1ヶ所に崩壊、量子デコヒーレンス効果

　つまりは猫は電子とは振る舞いが違う。だが、なぜなのか？

　猫は、電子・陽子・中性子といった素粒子で構成されている。いずれの素粒子も量子の世界では先ほど述べたような奇妙な振る舞いをする。それなのに同時に複数の場所に存在するなんて猫は、いくら探したって見つからないだろう。

　もうひとつ不思議なことは、「観測」の不思議な効果です。私たちが「観測」していないとき、物体はそこかしこに「シミ」出す。それなのに、それを見るや否や、認識不能なほど刹那の瞬間でぱっと1ヶ所に集まってしまうのだ。はたして、一体なぜそのようなことが可能になるのか？

　ちなみに科学者は「集まる」などとは言わず、「波動関数の崩壊」と表現する。また、量子の非局所性などが失われてしまうことを「量子デコヒーレンス」効果という。


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この宇宙はひとつの量子物体であり、さまざま宇宙と相互作用している
　
これらの疑問に答えるために、アルチョーム・ユーロフ氏らが『Theoretical Physics』（9月18日付）で発表したのが、小さな1粒の素粒子と同じように、この宇宙自体もまたひとつの量子物体であるという仮説です。

　それによると、私たちが暮らす宇宙は理論上、同時に複数の場所や状態で存在することができます。そして、宇宙それ自体が量子物体であるのなら、別の何かと相互に作用していなければならない。その何かとは、隣にある別の宇宙＝世界かもしれないというのです。

　ユーロフ氏らによれば、先ほどのデコヒーレンスなどそもそも存在しない。あらゆる量子関数は、別の世界において物理的に顕在している。つまり、ある世界では猫がソファで寝そべっており、また別の世界では猫が餌を食べている。

　この「多相互作用世界論」を用いれば、波動関数の崩壊という概念など完全に回避することができる。

　どんな量子の現象も、隣り合った「世界」の位置によって決まる。ふたつの世界が十分に近ければ、量子ポテンシャルが生まれる。反対に離れれば、量子ポテンシャルは下がり、私たちが普段体感している古典的な物理の世界に戻る。


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量子コンピューターの類推
　
多相互作用世界では、私たちは目で見ることで波動関数を崩壊させる神秘的な観測者などではない。むしろ、宇宙という機械の単なる歯車に過ぎないのかもしれない。それは、量子コンピューターのような超最先端の機械です。

　ユーロフ氏らは、彼らの宇宙モデルが、まるで量子コンピューターの量子ビットを思わせる理由を説明していない。もしや、私たちは何者かが作り出した量子コンピューターの住人なのではないだろうか？ いや、どこかの世界にそのような現実があってもおかしくはない。

2019年12月03日
カラパイアより

120億年前にすでにできあがっていた巨大銀河の核


120億光年の彼方に見つかった「静かな」銀河（提供：国立天文台）

天の川銀河よりも重い、星形成活動を終えようとしている「静かな」銀河が120億年前の宇宙に発見されました。銀河の核の部分は120億年前にはすでにできあがっていたことも明らかにされています。

恒星は銀河の中で作られるが、それぞれの銀河における星形成の活発さは様々です。勢いよくガスから星を作って明るく輝く、星の生産工場と呼べるような「元気な」銀河もあれば、何らかの原因で星を作ることをやめてしまった「静かな」銀河もあります。銀河が星を作らなくなり静かになる理由は明らかになっておらず、静かになりかけている銀河がその謎を解明する鍵を握っていると考えらます。

こうした銀河の謎を研究するため、国立天文台・総合研究大学院大学の田中賢幸さんたちの研究チームは、「すばるXMMニュートンディープフィールド（SXDF）」と呼ばれるくじら座方向の領域を調べた。SXDFには、すばる望遠鏡による長時間観測などで多数の銀河がとらえられており、暗い銀河や遠方の銀河を調べるのにうってつけだ。

田中さんたちはSXDFに含まれる一つの銀河を、米・ハワイのケック望遠鏡の近赤外線分光装置「MOSFIRE」を用いて詳細に分光観測した。その結果、この銀河からの光が120億光年彼方から届いているものであることが確かめられた。また、星を作る活動が弱まっていることも確認できた。これは今までに知られている静かな銀河の中で、最も遠い、つまり年齢が最も古い銀河となる。

この銀河には3兆個以上もの星が含まれており、天の川銀河（星の数は数千億個）よりもはるかに重い。宇宙の歴史の中で最初に星形成を終えて静かになり滅んでいくのは、非常に重い銀河と考えられているが、今回見つかった銀河も実際に重い銀河であった。静かになりゆく銀河の謎に迫る上で、大きな意義のある発見といえる。「銀河における星形成がなぜ止まるのかを詳しく調べるための、絶好の観測対象です」（デンマーク・ニールス・ボーア研究所 Francesco Valentinoさん）。

さらに、銀河内の星の運動を調べたところ、現在の宇宙にある重い銀河の星とほぼ同じ速度で動いていることがわかった。これは、銀河の「核」が120億年前にはほぼできあがっていたことを意味する結果である。

「これまでに同様の測定で発見された最も古い銀河は110億年前のものでした。今回の発見はそれを10億年もさかのぼったのに、銀河の核となる部分がすでにできあがっていたことは驚きです。私たちが考えていた以上に早く、銀河の核が形成されていたようです」（田中さん）。

「銀河がどのように生まれて、育ってきたのかは、まだ謎が多いのです。巨大な銀河については、とくにわかっていません。巨大な銀河が誕生して育ち、静かになっていく過程や、銀河の核ができた時期について、今後も研究を続けていきます」（田中さん）。


今回の研究成果の概念図（提供：国立天文台/Tanaka et al. 2019）

2019年12月24日
AstroArtsより

原始惑星系円盤の失うはずのガスを大量検出。残存か供給なのか？


周囲にデブリ円盤とガスが広がるくじら座49番星の想像図（Credit: 国立天文台）

若い恒星の周囲にはガスや塵でできた「原始惑星系円盤」が存在しており、惑星が形成されるにしたがって消滅していくと考えられています。今回、惑星の形成が最終段階まで進み、すでにガスの多くが散逸したとみられていた円盤のなかに、従来の想定を大きく上回る量の炭素原子ガスが存在していたことが明らかになりました。

■アルマ望遠鏡による観測で炭素原子の分布を明らかに

樋口あや氏（国立天文台）らの研究チームは、南米・チリにある電波望遠鏡「アルマ望遠鏡」を使い、くじら座の方向186光年先にある4000万歳ほどの若い恒星「くじら座49番星（49 Ceti）」の観測を実施しました。

くじら座49番星は周囲に円盤を伴っている様子が確認されていますが、4000万歳という年齢から、惑星形成は最終段階にあるとみられています。この年齢では原始惑星系円盤からガスが散逸し、塵を主成分とした「デブリ円盤」が広がっているものと考えられてきました。

ところが2017年、樋口氏らの観測により、世界で初めてデブリ円盤から炭素原子ガスが検出されました。今回、研究チームがアルマ望遠鏡による15時間の再観測を実施した結果、くじら座49番星のデブリ円盤における炭素原子の分布状況が判明。その量が従来の想定に対して10倍も多いことが明らかになったのです。

原始惑星系円盤のガスは、惑星の形成が進むにつれて円盤から散逸していくものと考えられていました。今回の観測結果は、これまで考えられていたよりも長期間に渡りガスが存在する可能性を示唆しています。

■大量の炭素原子が電波の一部を吸収しているとみられる


アルマ望遠鏡によるくじら座49番星の観測結果。塵（赤）、一酸化炭素分子（緑）、炭素原子（青）の観測結果を重ね合わせたもの（Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Higuchi et al.）

今回の観測では、炭素の同位体である「炭素13」が発した電波を検出することにも成功しています。炭素13は一般的な炭素原子である炭素12の1％程度しか存在しないため、炭素12に比べて相対的に電波が弱くなります。にもかかわらず、ガスが少ないと思われていたデブリ円盤から炭素13が検出されたことに、研究チームも驚いたようです。

同位体の比率を考慮すると、炭素12が発する電波のほうが炭素13よりも100倍以上強くなるはずですが、アルマ望遠鏡が捉えた電波の強さを比較したところ、その差は12倍程度に留まることがわかりました。これは、デブリ円盤に含まれる炭素12の量がかなり多く、電波の一部を炭素12自身が吸収したためだとみられています。研究に参加した大屋瑶子氏（東京大学）は、結果として地球に届く電波が弱くなったことで、くじら座49番星のデブリ円盤における炭素原子ガスの量が少なく見積もられていた可能性を指摘しています。

なぜデブリ円盤からガスが検出されるのかについては、惑星が形成される過程で余ったものだとする「残存説」と、円盤内の塵や微惑星の衝突によって生じたものだとする「供給説」の2つの仮説があります。

しかし、くじら座49番星のデブリ円盤で検出された炭素原子ガスの量は、残存説と供給説のどちらにとっても想定外の多さ。今回の研究成果は、木星のようにガスが豊富な惑星の形成のみならず、惑星形成の理論そのものに再考を迫るものとなりそうです。

Image Credit: 国立天文台

2019-12-23
Soraeより

原始惑星円盤内に見えた滝のようなガスの流れ


ガスの流れと、惑星によって隙間ができる様子を示したイラスト
（左）原始惑星系円盤内の3か所で測定したことを示すイラスト。（右）惑星がガスや塵を押しのけて隙間を開ける様子を示すイラスト。矢印はガスの流れを表す（提供：NRAO / AUI / NSF, B. Saxton）

若い星を取り巻く原始惑星系円盤の中で、ガスが滝のように隙間に流れ込んでいる様子が初めて三次元的にとらえられました。ガスの流れは、形成中の惑星によって作られた可能性が高いと考えられています。

惑星は、若い恒星の周りを取り巻くガスや塵でできた原始惑星系円盤の中で誕生します。アルマ望遠鏡などによる観測では円盤内の隙間などがとらえられており、こうした構造は惑星によって作られている可能性が高いと考えられています。

円盤内の隙間の成因や惑星形成を理解するためには、原始惑星系円盤の質量の99%を占めるガスの研究が不可欠です。アルマ望遠鏡によって昨年行われた観測では、いて座の若い恒星HD 163296の周りの円盤内で公転する一酸化炭素ガスの速度が測定され、円盤内に惑星のような構造が3つ存在することが明らかにされました。

この観測研究を行った米・ミシガン大学のRichard Teagueさんたちの研究チームは、アルマ望遠鏡による最新の高解像度データを利用して、ガスの速度をさらに詳しく調べた。「高品質なデータを用いて、1方向だけでなく3方向のガスの流れを測定することに成功しました。多方向のガスの動きを測定できたのは初めてです。円盤内のガスは、星の周りを回転したり、星に近づいたり遠ざかったり、円盤内を上下に移動したりしています」（Teagueさん）。

Teagueさんたちは円盤内の異なる3か所で、上層から中層に向かって移動するガスの流れを発見しました。若いHD 163296を回る惑星が、円盤中でガスや塵を押しのけて隙間を開けている現象である可能性が高いとみられます。原始惑星系円盤の表層から中層に向かうガスの流れが存在することは1990年代後半から予測されてきたが、実際に観測されたのは今回が初めてです。

「隙間の上層にあるガスが滝のように流れ込み、円盤内でガスの回転流を引き起こすのです」（Teagueさん）。

「（他の可能性も排除はできませんが）今回とらえられたガスの流れのパターンは独特であり、惑星だけがこの現象を引き起こす可能性が非常に高いといえます」（米・カーネギー科学研究所 Jaehan Baeさん）。

今回の研究で予測された3つの惑星の位置は、昨年の観測・研究結果に対応しており、惑星の位置は中心のHD 163296からそれぞれ約130億km（太陽～海王星の約2.9倍）、約210億km（4.6倍）、約355億km（7.9倍）とみられている。また、惑星の質量は、中心星に最も近いものが木星の半分で、中央の惑星が木星と同等、一番外側が木星の2倍と推測されています。

今回とらえられたようなガスの流れは、生まれたばかりの惑星を検出するのに役立つだけでなく、巨大なガス惑星がどのようにして大気を獲得するのかについての理解にもつながる。「惑星は円盤の中層，星の放射から保護された寒い場所で形成されます。惑星によって引き起こされる隙間は、化学的に活性な円盤の表層からより温かいガスをもたらし、このガスが惑星の大気を形成するだろうと考えています」（Teagueさん）。

「ガスの流れを特徴づけることにより、どのようにして木星のような惑星が生まれるかを理解し、惑星誕生時の化学組成を明らかにすることができます。惑星は形成過程を通じて移動していますから、惑星誕生の場所を追跡するためにガスの流れを利用することができるかもしれません」（米・ミシガン大学 Ted Berginさん）。


ガスが滝のように原始惑星系円盤の隙間に流れ込む想像図（提供：NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello）

2019年12月11日
AstroArtsより

若い星のガス流と星周円盤の不透明さの関係


原始星の進化の模式図。ガス雲の中心で原始星が生まれると、これに向かって落ち込むガスの一部が原始惑星系円盤を作る。中心星に近いガスの一部は自転軸の方向にガス流として噴き出す。その後、円盤の中で微惑星ができ、これらが合体して惑星が作られ、星周円盤は消えてなくなる（提供：京都産業大学リリースより、以下同）

生まれたばかりの中質量星では、星周辺の物質の流れが星周円盤内側の不透明度に関係している可能性があることが分光観測から明らかになりました。

恒星は分子雲が重力で収縮して生まれる。生まれて間もない原始星の周りには「原始惑星系円盤（星周円盤）」と呼ばれるガス円盤が取り巻き、円盤のガスは原始星に落ち込むとともに、一部は原始星の両極からガス流となって宇宙空間に放出される。やがて円盤の中で塵が集まって微惑星ができ、それらが合体して惑星へと成長する。円盤のガスの一部は惑星に取り込まれて巨大ガス惑星の大気となり、残りは散逸してなくなる。

こうした惑星形成のモデルは、太陽くらいの質量を持つ「小質量星」ではよく研究されているものの、細かい点はまだわからないことも多い。また、太陽より1.5～4倍ほど重い「中質量星」でも同じようにして惑星ができるのかどうかも謎だ。

京都産業大学の安井千香子さんたちの研究チームは、同大学で開発された高分散分光器「WINERED（ワインレッド）」を同大学神山天文台の荒木望遠鏡（口径1.3m）に装着して、おうし座の星形成領域にある13個の中質量星を赤外線で分光観測した。これらの星々は150万歳ほどと非常に若く、水素の核融合反応が始まって一人前の星となる直前の段階（前主系列星）にあり、ほとんどの星がまだ星周円盤を持っている。

安井さんたちはまず、観測対象として選んだ若い星々を3つの進化段階に分けた。対象星の近赤外線と中間赤外線のスペクトルを観測することで、その星が3つの段階のどこにあるかを見分けることができる。

フェーズ1：塵を含む不透明な円盤が中心星の近くまで分布している段階
フェーズ2：円盤の物質が内側から失われつつある段階
フェーズ3：円盤が完全に失われた段階
次に、この3段階の星々について、赤外線の波長域にある水素のスペクトル（パッシェンβ線、波長1282.2nm）とヘリウムのスペクトル（He I線、波長1083.0nm）を調べ、円盤や恒星周辺のガスがどのような運動をしているかを推定した。

その結果、星の進化段階によってガスの振る舞いは以下のように異なることが明らかになった。

フェーズ1：星の両極から噴き出すガス流（恒星風）が卓越し、星の磁場に沿って円盤から星へのガスの流入（磁場による質量降着）もみられる
フェーズ2：円盤の内側のガス流（円盤風）が卓越し、磁場による質量降着もみられる
フェーズ3：恒星風も円盤風も磁場による質量降着もない
このことから、ごく若い星では、恒星周辺での物質の流れと、星周円盤の内縁付近の物質の濃さ（不透明度）との間に何らかの関係があることが示唆される。前主系列星と星周円盤のこうした関係が明らかになったのは初めてのことだ。



円盤進化に伴う質量流出プロセスの変化

若い星を取り巻く円盤と物質の流れの移り変わり。濃い灰色の部分がガスと塵を含む不透明な円盤を表し、薄い灰色の領域はガスのみからなるあまり濃くない円盤を表す。円盤の内側から物質が失われるとともに、物質の流れは恒星風が卓越する状態から円盤風が卓越する状態へと変わる

さらに、今回の安井さんたちの観測では、中質量の前主系列星の赤外線スペクトルから、黒点やフレアなどの彩層活動に由来するヘリウムの吸収線が初めて検出された。彩層活動が活発な恒星は、紫外線やX線といった高エネルギーの電磁波を強く放射するため、中質量星は若い段階から活動性が高く、仮にこれらの星の星周円盤で地球型惑星が形成されたとしても、生命にとっては過酷な環境になると予想される。

2019年12月5日
AstroArtsより