[비즈한국] 最近、「人生映画」が変わった。6月18日に韓国で公開された『エリオ（原題：Elio）』だ。宇宙に果たして我々だけなのか？人類が長い間抱いてきたこの偉大な問いに答える、最もピクサーらしい美しい物語だ。天文学者カール・セーガンの肉声が流れる時、涙が出そうになった。この作品は、カール・セーガン、そして彼の夢を乗せて宇宙へ飛び立ったボイジャー探査機に対する一つの献辞だと思う。
『エリオ』のすべての事件は、1977年に地球を離れたボイジャー探査機から始まる。太陽系を脱出したボイジャーは宇宙人に発見され、宇宙人はその中に積まれたゴールデンレコードを解読して地球にやってくる。ところで、宇宙人たちはこの広大な宇宙空間でどうやって地球の位置を見つけることができたのだろうか？
ゴールデンレコードには、天文学者が刻んだ特別な地図が収められている。この地図には、四方へ真っ直ぐ伸びる14本の直線、そして最も長い直線がもう1本描かれている。直線が四方に伸びるその中心が、地球の位置を示している。この地図は、カール・セーガンの同僚天文学者フランク・ドレイクが考案した。彼はパルサーという特別な星を14個選び、地球への道を示すコンパスとして活用した。ボイジャーに先駆けて宇宙へ飛び立った先行隊のパイオニア探査機にも、同じ地図が刻まれた銅板が搭載された。そして『エリオ』の宇宙人たちは、まさにその地図を頼りに地球へやってきたのだ！
ところが、パルサーを使って道を見つけるのは宇宙人だけの技術ではない。実際に今、人類は単なるGPS衛星を超え、宇宙に存在する天然のGPSであるパルサーを利用して道を探す、新しい時代の航法を夢見ている。まさにパルサー航法だ。さらにパルサーは、宇宙の時空が全体としてどのように振動しているのか、時空の揺らぎやビッグバンの痕跡まで追跡できる驚くべきツールになり得る。もう自動車に乗り、飛行機に乗るように、ビッグバン以降138億年間揺らぎ続けている宇宙時空本来の震動まで活用する日が近づいている。
ドレイクはなぜ、あえてパルサーを宇宙人のための道しるべの星にしたのだろうか？地球では北極星が道しるべの星となる。しかし地球を離れた瞬間、北極星は単なるありふれた星の一つになってしまう。北極星に付与された特別な意味は、地球でしか有効ではない。宇宙に存在するすべての人に等しく適用される、普遍的で公平な道しるべの星が必要なのだ。まさにその役割をパルサーが果たしてくれる。
パルサーは数秒から数ミリ秒という非常に短い周期で自転する中性子星だ。中性子星は、巨大だった星が小さく崩壊した結果である。そのため自転速度も非常に速くなり、磁場も強くなる。強い磁場軸に沿って中性子星は強烈なエネルギーを吐き出す。しかし、（地球のように）磁場軸は自転軸と正確に一致しているわけではない。わずかに傾いている。そのため遠くからその姿を眺めると、まるで灯台の光が視野に入ったり消えたりを繰り返すように、中性子星が吐き出す強いエネルギーが明るく輝いたり消えたりを繰り返すように見える。自転周期が非常に短いため、その信号は数秒間隔でパルス信号を出しているように見える。そのためパルスを出す星という意味でパルサーと呼ばれる。
パルサーの周期は、数ミリ秒のレベルで非常に一定に保たれる。人によって指紋がわずかに異なるように、パルサーごとに固有の周期がある。周期さえ分かればパルサーを特定できる。また、パルサーが放出するエネルギーは非常に強いため、遠距離からでも比較的容易に捕捉できる灯台だ。特にパルサーは誰かが人工的に作った構造物ではない。宇宙で自然に作られた灯台なのだ。
ドレイクは、我々人類のように宇宙を航海し、他の存在を探そうとする文明があるならば、彼らも同様にパルサーを発見し、その特性をよく理解するだろうと考えた。彼は我々の銀河系で一定の周期で振動するパルサーを14か所選定し、地球を中心として各パルサーまでの相対的な距離を反映して線を描いた。各パルサーの自転周期は二進法で表現されている。各直線の端に描かれたギザギザのパターンが、1と0で表現した自転周期を示している。距離のスケールを比較できるよう、地球から我々の銀河中心にある「いて座A*」ブラックホールまでの距離を示す最も長い線も追加された。天の川銀河を航海する名もなきヒッチハイカーたちにとって有用な尺度となるはずだ。『エリオ』に登場する宇宙人のように知的な存在であれば、ボイジャーのゴールデンレコードに刻まれた各パルサーを特定し、それらの空間位置をもとに線が集まる地球の位置を正確に導き出せるだろう。
パルサーは宇宙で最も正確な時計だ。今、パルサーは地球探しを超えて、宇宙時空全体の揺らぎを感知するツールとなっている。138億年前のビッグバン直後、宇宙は極めて高温だった。宇宙が急速に膨張するにつれ、温度は徐々に下がっていった。温度が10の12乗K（ケルビン）を下回る頃、ようやくバラバラだった基本粒子であるクォークが陽子や中性子へと凝集し始めた。この瞬間、宇宙は急激な大転換を迎えた。水蒸気が瞬時に水へと凝縮するレベルに匹敵する、非常に急激な変化だった。実際にこの時期を宇宙の相転移と呼ぶ。この時、宇宙全域に時空そのものが鳴る巨大な震動が広がった可能性がある。その痕跡は、時空そのものに微かに広がっている重力波の震動として残っているはずだ。宇宙そのものに背景のように敷かれている「背景重力波」である。
これは2015年にLIGO重力波検出器で捕捉した重力波とは性質が異なる。当時捕捉した重力波は、重厚な二つのブラックホールが衝突する際に生じた震動だ。宇宙のあちこちに住むブラックホールのペアが衝突するたびに、こうした急激な重力波が断続的に広がっていく。これは予告なしに各地で突然発生しては消える「重力波の津波」と言える。
一方で「背景重力波」は異なる。これは太古の宇宙から今日に至るまで、ずっと宇宙全域に微かに敷かれている、文字通りの背景重力波だ。重力波の「漣（さざなみ）」と見ることができる。背景重力波は、ビッグバンから38万年が経過した時に宇宙全域に初めて広がった光が残した宇宙マイクロ波背景放射と似ている。背景重力波は、宇宙マイクロ波背景放射の重力波バージョンだと考えればよい。
こうした振動は、地球から観測する各パルサーの振動信号を、予想よりも速く、あるいは遅く到達させる。宇宙全域でパルサーの振動周期の微かな変化を監視し続けることで、それらを通り抜けてきた重力波の震動を感知できる。パルサーが透明な宇宙時空の波を感じさせてくれる宇宙ブイ（浮標）システムになるわけだ。パルサーを通じて時空の震動を感知するこうした観測方式を「パルサータイミングアレイ（Pulsar Timing Array）」と呼ぶ。
この大規模な観測を通じて、2023年に天文学者たちは宇宙時空が実際に全体として振動しているという事実を明らかにした。10年近い長い歳月をかけて数十個のパルサーを観測して得られた驚くべき結果だった。ところが、1年以上の時間が経った今、天文学者たちはこれまでの観測結果を追加し、さらなる新事実を発見した。南アフリカ共和国にあるMeerKAT電波望遠鏡を動員した新しいパルサータイミングアレイが加わり、より巨大な視野で時空の震動を感知した。過去5年間、計83個のパルサーから届くすべての信号を精密に測定した。そうして人類は史上初めて「重力波地図」を完成させた。
ところで、重力波地図を見ると興味深い点が目につく。とりわけ重力波の震動がより強く現れる領域が存在するということだ。これは最近、現代天文学で激しい論争となっている宇宙の異方性問題を想起させる。ビッグバンが残した時空の震動が広がった背景重力波であれば、宇宙全域に均一に広がっているはずなので、このような方向性を示す理由がない。
ならば、特にこの方向の宇宙に、時空の震動を引き起こす超大質量ブラックホールが密集してでもいるのだろうか？可能性はある。しかし注意が必要だ。地図で現れるこの領域は特に南半球の空で現れるが、これは最近のパルサータイミングアレイが南半球のMeerKATで観測されたため、観測の偏り（バイアス）が生じている可能性があるからだ。
このように宇宙全体の震動まで精密に示してくれるツールであるパルサーは、宇宙で道に迷った航海者にとっても、最も正確で有用な道しるべの星となる。地球を離れて宇宙を航海する探査機にとって、絶対的な道しるべの星は非常に重要だ。これまで火星や木星といった太陽系内を駆け巡った探査機は、シリウスやカノープスのように、地球周辺で最も明るく見える星程度を道しるべにしてきた。しかし、星々も静止しているわけではなく、宇宙空間を移動しているという問題がある。結局、平凡な星は究極の最も絶対的な道しるべにはなれない。ボイジャーやパイオニア、そしてその後を継いで冥王星の先へ、太陽系の外へと旅立ったニューホライズンズ探査機のように、太陽系を完全に脱出した航海者たちであれば、こうした平凡な星はなおさら役に立たない。
代わりに、一定の周期で振動するうえ、距離が遥かに遠いために事実上、視野の中で常に同じ場所に固定されていると見なせるパルサーであれば、より絶対的な基準になり得る。特に、遠くない未来に地球を離れて宇宙を航海する宇宙時代を夢見る人類にとって、パルサーを活用した宇宙ナビゲーションは非常に重要かつ現実的な課題だ。
実際に2017年、NASAはパルサーのみを活用して宇宙ステーションの正確な位置座標を捉える実験を試みた。地球の管制所と何の情報のやり取りもせず、パルサーだけに依存して宇宙ステーションの位置を特定する試みだった。このために宇宙ステーションには、X線信号を感知する洗濯機ほどのサイズの「Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation（SEXTANT）」という装備が搭載された。これを通じて、わずか4つのX線パルサーだけで宇宙空間において宇宙ステーションの正確な位置をわずか5km以内の誤差で特定することに成功した。宇宙ステーションが時速2万8000kmという猛スピードで移動中であることを考えると、パルサーだけに依存してこれほど精密に位置を特定できたというのは非常に驚くべき結果だ。
我々は地球で、頭上の静止軌道にあるGPS衛星の信号をもとに自分の位置を知る。しかし、よく考えるとGPS衛星も結局は地球周辺を速く回っている人工衛星に過ぎない。そもそもGPS衛星の絶対的な位置を特定できなければ、それを基準に道を探すことも無意味だ。そのため天文学者たちは、宇宙の果てで強烈なエネルギーを吐き出す活動銀河であるクエーサー、あるいは宇宙全域で非常に一定のリズムでパルス信号を出すパルサーそのものを、「GPSのためのGPS」として活用する方法を模索している。
人類文明が高度化するにつれ、我々の生活は1秒、1mmにも左右される非常に繊細な時代を生きるようになった。これからの未来はさらに繊細な時代になるだろう。わずか1ミリ秒、1マイクロメートルの差だけで、個人と社会が負担しなければならないコストが変わる「超敏感社会」になるはずだ。大きな数字で適当にごまかし、常に大きな誤差がついて回った天文学も、今や昔の話だ。天文学も今や、瞬きする間の短い時間まで気にする「超精密科学」の領域になりつつある。その変化は、我々の日常の目盛りを一段と鋭く精密なものにしてくれるだろう。遠くない未来、我々はパルサーを道しるべに進む自動運転バスに乗り、クエーサーの案内に従って火星を目指す宇宙船に身を任せる生活を送ることになるはずだ。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1489/7912548?login=false
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1467/7912547?login=false
https://academic.oup.com/mnras/article/536/2/1501/7912549?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ace18b
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acda9a
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdac6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91
筆者のチ・ウンベは？猫と宇宙を愛している。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて銀河同士の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。