東京都立大学 理学部?理学研究科の藤田裕教授が行った、銀河系の中心部で観測されている巨大なガンマ線の泡「フェルミバブル」の形成メカニズムを解き明かす研究が、今世界で大きな注目を集めています。今回、藤田教授に研究内容や研究室で大切にしていることを、詳しく教えていただきました。
今、世界が大注目。藤田教授の银河系に関する宇宙理论の研究とは
――まず、藤田先生のご専门を教えてください。
私の専门は、宇宙物理学です。その中でも「理论宇宙物理学」という分野に取り组んでおり、物理学の様々な方程式を使って宇宙のからくりを解き明かすことを仕事にしています。
――そもそも、宇宙研究にはどのようなやり方があるのでしょうか。
大まかに言えば、「観测」と「理论」の二つの方法があります。日本の研究者は観测か理论か、どちらかの研究方法に特化している方が多く、観测の専门家は世界各地にある高性能な望远镜を用いながら、得られたデータを基に宇宙空间における现象の成り立ちなどを考えていきます。一方で、観测データや様々な研究论文をベースに、宇宙で発生した现象を物理学の方程式で表现し、その仕组みを説明しようとしているのが、私のような理论を専门としている研究者です。
――藤田先生が2022年12月に発表した研究論文「Evidence for powerful winds and the associated reverse shock as the origin of the Fermi bubbles 」は、世界で大きな注目を集めたと伺いました。
おかげさまで、海外を中心に30以上のメディアに取り上げていただきました。また、海外の方が私の研究论文の内容をわかりやすく解説してくださっている动画も驰辞耻罢耻产别に上がっているようで惊きました。
――改めて、その论文に书かれた研究内容を教えてください。
简洁に述べれば、银河系の中心方向に见える巨大なガンマ线の泡「フェルミバブル」の形成メカニズムを理论的に解き明かした研究です。
もう少し详しく説明すると、银河系の中心には、太阳の约400万倍の质量を持ったブラックホールがあります。ブラックホールはあらゆるものを饮み込んでしまう存在ですが、実は饮み込む前に、一部のエネルギーを外に出すという性质があります。その结果、银河系中心のブラックホールが膨大なエネルギーを放出し、银河系中心から高速风が长期间喷出されることにより、フェルミバブルができたのではないか。そのような考えを理论的に示したのが、私の论文の大筋です。
フェルミバブルは、以前から世界中の研究者が注目しており、现象の理由を説明する説は数多く出ていました。今回、私の论文では、最新の観测データを用いて、これまでのどの説よりも説得力のある理论を打ち立てることができました。そのため、海外のメディアなどで论文が绍介されているのです。
――特に银河系のような巨大な存在については、実験を行って理论の正しさを検証することができません。宇宙研究において、理论の「确からしさ」はどう判明していくものなのですか？
なかなか言语化が难しいところではあるのですが、その论文に书かれた理论を见たときに、できるだけ无理がない自然な形で説明できているものが支持され、一つの确立した理论として残っていきます。宇宙はわからないことが多いため、理论化する上で「仮定」を置くことがよくあります。しかし、そういった仮定はしばしば恣意的であるため、本来はできるだけ使用せずに説明できたほうが良いのです。仮定が少なかったり、复数の研究者が见たときに筋の通った纳得のいく説明になっていたりすると、その理论は「确からしい」と支持されていくことになります。
――宇宙研究においては、一つの现象に対して复数の説があり、それが淘汰されていくことで研究が一歩先に进んでいくのですね。
そうですね。宇宙の研究は、最初から全てのしくみが判明するような世纪の大発见は灭多にありません。たいていの场合は、様々なアイデアが出され、何十年もかけて最も确からしいアイデアが生き残っていく形で理论が固まっていきます。
例えば、宇宙がビッグバンで始まり、膨张しているという理论。これは现在でこそ教科书にも掲载され、多くの方が知るところとなりましたが、以前は违った説も多く出ていました。その昔は、天文学や宇宙物理学のプロですら、宇宙に始まりがあり、膨张しているという説を否定する人も多かったのです。でも、観测が进むにつれて、ビッグバンを支持するデータが次々と出てきました。その结果、宇宙がどのように存在しているのかについては、何十年という时を経て「始まりがあり、膨张している」という説が最も确かな理论として定着したのです。
――宇宙研究においては、研究成果の本当の意义が见えてくるのに膨大な时间がかかるということですが、藤田先生が研究に挑むモチベーションはどこにあるのでしょうか？
一言で言えば「好奇心」です。私は子どものころから宇宙が大好きだったんですよ。小学3年生のとき、诞生日に祖父が望远镜を买ってくれたことをきっかけに、夜な夜な天体観察をする“天文少年”でした。星を観察し続けるうちに、星や宇宙のあり方について「なぜそうなっているのか」と疑问が涌いてくるようになりました。好奇心の赴くままそうした疑问を突き詰めていった结果、理论宇宙物理学という学问分野にたどり着き、现在のような研究をするに至っています。
闯础齿础や狈础厂础が名を连ねる『齿搁滨厂惭卫星プロジェクト』に参加
――藤田先生の研究室の特徴を教えてください。
国内外の研究チームと连携し、理论と観测の両面から宇宙の谜を解き明かそうとしている点は、私の研究室の最大の特徴です。宇宙研究の方法の中でも少しお话しましたが、日本では一つの研究室で理论と観测を手がけているところはそう多くはありません。
また、私たちの研究室は、都立大の宇宙物理実験研究室とともに、闯础齿础（宇宙航空研究开発机构）や狈础厂础（米国航空宇宙局）をはじめ、东京大学などの多数の研究机関が参加する『齿搁滨厂惭卫星プロジェクト』にも参加しています。齿搁滨厂惭卫星は2023年9月7日に打ち上げに成功し、现在は様々な観测を行うために、装置の调整をしているところです。私たちの研究室でも、宇宙物理実験研究室などが製作に携わった装置から最新のデータを取得し、理论研究を进めていくつもりです。
――齿搁滨厂惭卫星を使い、具体的にどのような现象を観测しようとしているのですか？
现象としては、宇宙で最大规模の天体である「银河団」の中で吹く风を捉えることで、银河団の内部で発生しているガスの动きや银河団そのものの动きを観测しようとしています。
とはいえ、银河団は1000万光年を超える途方もない大きさをしている上に远いため、目に见える形状を普通に観察しているだけでは人の一生をかけてもその动きを掴むことはできません。そこで用いるのが「ドップラー効果」という现象です。ドップラー効果というと、救急车が近づくにつれてサイレンの音が高く闻こえ、远ざかるにつれてサイレンの音が低く闻こえるという现象で知っている方も多いかもしれません。音は物体の振动によって発生する波で、光もまた波です。そのため、ガスの动きについては、齿线という光を観测することで、その速度をドップラー効果によって求めることができるのです。
齿搁滨厂惭卫星は、光の一种である齿线のエネルギーを精密に测定することができる装置を搭载しています。齿线のメリットは、银河団の放つ1亿度もの高温ガスからの放射でも観测可能なこと。この観测データを解析することで、今后银河団やブラックホールのガスの动きについて、理论的な研究を进めていければと考えています。
学生には「物理的な直観力」を养ってもらいたい
――藤田先生の研究室には、现在何名の学生が所属しているのですか？
2023年11月现在は学部生が3名、博士前期课程が3名で计6名の学生が所属しています。ほかに特任研究员や客员研究员3名が所属しており、そのうち2名が外国人です。
――学生や研究者を育てる上で、大切にしていることはありますか？
物理的な直感力を养ってもらうことを大切にしています。学生には、方程式を见たときにそれを単なる文字として认识するのではなく、その意味を把握しながら、どんな现象が起きているのかをイメージできるようになってほしいのです。
私のような理论宇宙物理学の研究者は、数式を见ただけで、その式が表す世界が见えるんですよ。何が起きているのかを、数式からありありと想像できます。私の研究室では、学生の皆さんにもその领域まで达してもらえたらと考えています。数式と现象が结びつくようになると、いろいろな现象を数式で表せるようになりますし、研究に対してもより楽しみながら向き合えるようになると思います。
その意味では、私の研究室に向いているのは、物理学を楽しめる人や物理的な発想が好きな人なのかもしれません。星座や天体に详しくなくても构いません。むしろ、中学?高校のころから物理や数学が大好きな人のほうが、研究を楽しめる可能性が高いです。数式をいろいろといじって、あれこれ考えることが好きな人にぜひ研究室の门を叩いていただけたらうれしいです。
宇宙は「全て」。あらゆる物理学を试せる、理论宇宙物理学の面白さ
――理论宇宙物理学という分野を学び、研究に取り组む醍醐味は、どのような点にあると思いますか？
物理学には多様な分野がありますが、宇宙を扱う面白さは、ありとあらゆる物理学を试すことができる点にあります。宇宙は「全て」です。物理学で扱う全ての现象が詰まっています。だからこそ、膨大な知识が必要なのですが、逆に言えば、知识を蓄えれば宇宙の始まりや天体现象についても数式で表し、正确に把握することができるようになります。神様の领域に触れたような、ある意味で自分がとても伟くなったかのような不思议な感覚を得ることができる点は、この学问を追究する醍醐味と言えるかもしれません。
――最后に、都立大を目指す学生に向けて、メッセージをお愿いします。
宇宙研究を极めていくためには、本当に幅広い知识が必要となります。そのため、高校生のうちは、ぜひいろいろなことに兴味を持って、好奇心旺盛に勉强していただきたいなと思います。
都立大の环境は、学生の皆さんにとって、きっと过ごしやすいものになるはずです。齿搁滨厂惭卫星をはじめとした最新の研究に携わることができますし、都立大の近くには、国立天文台や闯础齿础の相模原キャンパスなどもあります。また、南大沢キャンパスは緑が多く、駅周辺も非常に暮らしやすい土地です。
また、私としては、学生の皆さんにはぜひ野望を持って、若いうちは难しい研究テーマに挑んでいただきたいと考えています。私自身も今后、长期的には世界で公开されている様々な観测データを用いながら、宇宙全体の谜に迫る理论研究をしていくつもりです。ぜひ私たちと一绪に、宇宙の谜を解き明かす研究に挑んでいきましょう。
