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CALET、宇宙線陽子スペクトルの高精度観測で軟化を検出

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宇宙線のエネルギースペクトルには理論からずれる「スペクトル硬化」がこれまで観測されているが、国際宇宙ステーションの宇宙線電子望遠鏡「CALET」がそれとは逆にずれる「軟化」を検出した。

【2022年9月21日 早稲田大学】

地球に飛来する宇宙線の中でも特にエネルギーが高い粒子は、超新星爆発の衝撃波で加速され、星間磁場によって拡散的に伝播したのだと考えられる。この解釈は標準モデルと呼ばれているが、依然として不明な点が残っている。標準モデルに従えば、エネルギースペクトル（横軸にエネルギー、縦軸に流束を取ったグラフ）は指数関数を描き、エネルギーの高い宇宙線は決まった割合で減るはずだ。しかし、その減少割合が予想より少ない「スペクトル硬化」という現象が観測されている。

スペクトル硬化は、国際宇宙ステーションの日本実験棟「きぼう」の船外プラットフォームに設置された宇宙線電子望遠鏡「CALET」のような宇宙空間での観測で検出されるようになった。宇宙線は地球の大気と相互作用を起こしてしまうため、直接観測するには大気圏外でとらえることが不可欠だ。

伊・フィレンツェ大学のOscar Adrianiさんたちの研究チームはこのCALETを用いて、50ギガ電子ボルトから60テラ電子ボルトの広いエネルギー領域で、宇宙線のうち陽子のスペクトルを高精度で観測した。従来の観測では10テラ電子ボルトまでをカバーしており、そこではスペクトル硬化がとらえられていた。ところが10テラ電子ボルトを超えると、エネルギーが高くなるにつれて検出される宇宙線の量は指数関数よりさらに大きな割合で減少していた。これはスペクトル硬化の逆で、「スペクトル軟化」と呼ばれる現象だ。

宇宙線陽子スペクトル
CALETが50ギガ電子ボルトから60テラ電子ボルトの範囲で測定した宇宙線陽子スペクトル。右肩上がりならスペクトル硬化、右肩下がりならスペクトル軟化になる。赤がCALETの観測値、比較のため他の装置による観測結果も掲載（提供：早稲田大学）

極めて高いエネルギーになると宇宙線が予想より少なくなることは、超新星の衝撃波で達成可能なエネルギーはそのあたりが限界であることを示唆している。標準モデルを検証する上でも、あるいは標準モデルに代わる新たな加速メカニズムを考える上でも、今回観測されたスペクトル軟化は重要な発見であると考えられる。

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