電波の空は天文学者の想定より明るかった — SKAプロトタイプが解き明かす
注目画像: 西オーストラリアのマーチソン電波天文台にあるSKALA4.1対数周期ダイポールアンテナ。[クレジット: CSIRO / SKA Observatory]
天文学者たちは低周波電波の空の明るさをかなりの程度過小評価していたことが、Nature Astronomyに掲載されたSquare Kilometre Array用プロトタイプアンテナを用いた新たな測定によって明らかになった。この結果によると、60〜350メガヘルツの拡散電波背景放射は、低周波数側で従来モデルより20パーセント、350メガヘルツでは50パーセント明るいことが示された。
この発見は、今後のSKA-Low望遠鏡の較正、21センチメートル水素信号を探す宇宙の夜明け実験の解釈、そして天の川銀河における高エネルギー電子集団の理解に直ちに影響を与える。
「我々は前例のない精度で、空の非常に広い範囲における低周波電波の絶対背景輝度を決定しました」と、本研究には関与していないASTRON（オランダ電波天文学研究所）のミヒール・ブレンチェンス氏は述べた。「これはエレクトロニクスの最近の発展とコンピュータ能力の向上によって初めて可能になりました。」
測定はオーストラリア国立科学機関CSIROのルーク・マッケイ氏が主導し、SKA-Lowステーションで使用されているものと同じ設計のSKALA4.1対数周期ダイポールアンテナを、西オーストラリア州のインヤリマンハ・イルガリ・ブンダラ天文台にある直径40メートルのSKA-Lowステーション用地金網の上に設置して行われた。
較正の問題
低周波電波の空の絶対輝度を測定することは非常に困難である。高周波数では、天文学者は温度が既知の月や惑星を指向することで機器を較正できる。しかし350 MHz以下の周波数では、空そのものが全方向で最も明るい物体となる。ゼロレベルの基準となる空白領域は存在しない。
従来のスカイモデル、特に20世紀の観測データから構築された2016年全球スカイモデル（GSM2016）には、約20パーセントの系統的不確かさが含まれている。新たな測定はこの不確かさを劇的に削減した：60〜150 MHzでは2パーセント未満、350 MHzでは8パーセント弱である。
この突破口はCSIROが開発したGINAN受信機によるもので、この新しい受信機アーキテクチャはアンテナに接続された状態でリアルタイムに受信機雑音、帯域通過特性、インピーダンス不整合を動的に自己較正する。これにより、この周波数範囲におけるすべての従来測定に付きまとっていた較正の不確かさが排除された。
空を明るくしているものは何か？
低周波電波の空は、天の川銀河の磁力線に沿って螺旋運動する高エネルギー宇宙線電子からの放射であるシンクロトロン放射が支配的である。新たな測定は、現在のモデルが考慮しているよりも多くの高エネルギー電子が存在することを示唆している。
しかし銀河電子集団だけが唯一の原因ではない。既存の観測の検出限界をはるかに下回るナノジャンスキーレベルの、遠方で非常に微弱な電波源の未分解集団も超過に寄与している可能性がある。両者の組み合わせが最も可能性の高い説明と考えられている。
論文はさらにエキゾチックな可能性についても推測している：超過の一部が暗黒物質粒子の崩壊に由来する可能性である。ブレンチェンス氏は暗黒物質の証拠を「非常に薄い」と表現したが、精密な測定が暗黒物質の崩壊と対消滅シグナルの上限をより良く提供することに言及した。
SKA-Lowとその先への影響
最も直接的な実用的影響は、50〜350 MHzで動作するSKA-Lowの較正に関するもので、これはこれらの測定がカバーする周波数範囲と正確に一致する。新しいデータは、すべてのSKA-Low観測を較正するための安定した一次基準として機能できる正確な絶対フラックス密度スケールを提供する。
その影響は、宇宙の夜明けからの21センチメートル水素信号を検出しようとする再電離期（EoR）実験にまで及ぶ。これらの観測は、検出しようとしている信号より数桁も明るい拡散電波前景を差し引かなければならない。不正確なスカイモデルは、EoR信号を圧倒するか模倣するかのいずれかの系統的誤差を生み出す。
欧州のLOFAR、オーストラリアのマーチソン・ワイドフィールド・アレイ、カリフォルニアのOVRO-LWAなど、他の低周波電波望遠鏡もフラックス較正スケールの見直しが必要となる。既存の標準であるBaarsフラックス密度スケールには約20パーセントの系統的不確かさがあり、これを今回修正できる。
共著者でありオーストラリア電波天文学の伝説的存在であるロン・エカーズ氏は、天文学が数十億ドル規模の施設の時代に突入しても、基礎的な天体物理学の多くが未だ成し遂げられるべきであることをこの結果は思い出させると述べた。「我々はより良いラジオメーターを建設し、空が我々の想定とは違うことを発見した」と彼は語った。「時に最も重要な発見は、単に物事をより注意深く測定することから生まれる。」
雅子 訳