宇宙マイクロ波背景放射の偏光観測から 重力レンズ効果による偏光パターンの測定に成功

2014年10月21日
東京大学国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU） 


図1 チリ・アタカマ高地に設置されたPOLARBEAR望遠鏡 提供：KEK/POLARBEARコラボレーション図1 チリ・アタカマ高地に設置されたPOLARBEAR望遠鏡
提供：KEK/POLARBEARコラボレーション 東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（カブリ IPMU）も参加しているPOLARBEAR(ポーラーベア)実験グループが、世界ではじめて宇宙マイクロ波背景放射（以下CMB）※１の光の振動の向き（偏光）の観測結果のみに基づいて、重力レンズ効果※２による偏光パターンを測定することに成功しました。POLARBEAR実験グループは大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（カブリ IPMU）、カリフォルニア大学バークレー校、同サンディエゴ校などの研究者で構成される実験グループです。南米チリ・アタカマ高地に望遠鏡を設置して、我々が観測できる「宇宙最古の光」であるCMBを詳細に観測し、そこに現れる特殊な渦状の偏光「偏光Bモード」を調べることで宇宙誕生直後の姿や進化、その背後にある物理法則の解明を目指し実験が進められています。

ビッグバン※３を引き起こしたと考えられる宇宙誕生直後の急激な大膨張、すなわちインフレーション
仮説 ※４によれば、インフレーションの際に時空が振動することで生じた波である「原始重力波」により、大きな渦の偏光Bモードができたと予想されています。これを観測できれば、初期宇宙の誕生の様子が明らかにできると期待されています。また、CMBが地球に届くまでの間に宇宙空間内に分布する物質の影響で曲がる「重力レンズ効果」により小さな渦の偏光Bモードができることが予想されています。小さな渦の偏光Bモードを精密に測定できれば、現在の宇宙の大規模構造※５の理解の鍵を握るとされる、宇宙全体に存在するニュートリノの質量の総和、すなわちニュートリノ質量和※６が解明できると考えられています。
今回の一連のPOLARBEAR実験によるCMB偏光観測の初期成果は、重力レンズ効果による小さな渦の偏光Bモードを世界で初めて観測したものです。4.7σ（シグマ）の有意性（99.999%以上の確率）での測定に成功し、将来のニュートリノ質量和の精密観測に向けた道筋を拓きました。

以上の研究成果は、Physical Review Letters に7月9日に掲載された論文（”Measurement of the Cosmic Microwave Background Polarization Lensing Power Spectrum with the POLARBEAR Experiment” 和訳：ポーラーベア実験における宇宙マイクロ波背景放射偏光への重力レンズ効果の測定）と、Astrophysical Journal に受理され10月20日に同誌に掲載済みの論文（”A MEASUREMENT OF THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND B-MODE POLARIZATION POWER SPECTRUM AT SUB-DEGREE SCALES WITH POLARBEAR” 和訳：ポーラーベア実験における宇宙マイクロ波背景放射Bモード偏光パワースペクトルの測定）の結果をまとめたものです。

詳細は高エネルギー加速器研究機構（KEK）のHPに掲載されたプレスリリースをご覧下さい。
 

用語解説  (高エネルギー加速器研究機構のHPに掲載されたプレスリリース文より)

※１ 宇宙マイクロ波背景放射：ビッグバンから約38万年後に宇宙全体で放出された最古の光。ビッグバン直後、宇宙は陽子、電子、光子などでできたプラズマ状態だったと考えられている。やがて膨張とともに宇宙の温度は下がっていき、ビッグバンから約38万年たつと、陽子と電子が結合し、光子が残される。この光子の波長はその後の宇宙膨張とともに長くなり、今日ではマイクロ波となっている。どの方角からもほぼ同じ強さでやってくるこの電波を宇宙マイクロ波背景放射と呼ぶ。

※２ 重力レンズ効果：アインシュタインの一般相対性理論によると、質量を持った物体は周りの時空を歪ませる。この物体の周辺を直進する光も、歪んだ時空に沿って曲げられるという現象。物体がレンズのように振る舞うため、こう呼ばれる。

※３ ビッグバン：宇宙初期の超高温度・超高密度状態から、宇宙が一気に膨張し始めた爆発のような状態を表す（今から約138億年前）。

※４ インフレーション、インフレーション理論：宇宙は熱い火の玉状態（ビッグバン宇宙）以前に、急激な加速膨張を起こした（インフレーション）とする宇宙誕生に関する仮説。1980年代初頭に佐藤勝彦（現自然科学研究機構長）等が提唱した。

※５ 宇宙の大規模構造：現在の宇宙が持っている構造。地球、太陽系、銀河系、と地球から遠ざかった場所から俯瞰したとき、宇宙は巨大な網目状の構造を持っているというもの。宇宙初期の重力のゆらぎから発達したと考えられている。

※６ ニュートリノ質量和：宇宙全体に存在するニュートリノの質量の総和。宇宙が発達するためには重力、つまりその宇宙が内包する質量の大きさが重要な要素と考えられている。ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないため、宇宙初期の混沌とした状態からいち早く逃げ出したと考えられる。その時に持ちだされた質量（＝ニュートリノ質量和）の大きさを知ることは、宇宙の発達過程の理解に繋がる。

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