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础滨（人工知能）の深层学习モデルは天文学の研究にも応用されています。银河の観察から何が明らかになるのか、2024年5月に、国际的な活跃が期待される若手女性研究者に赠られるの最优秀赏を受赏したビッグバン宇宙国际研究センターの森脇可奈先生に闻きました。

远くの银河から见える「过去」

── 宇宙の進化についての研究は、どこまで進んでいるのでしょうか？

私たちが住む地球は太阳系のなかにあり、太阳系は天の川银河の一部です。さらに、天の川银河の外侧には他の银河がたくさんあって、それを全部包含しているのが宇宙です。さまざまな観测データと理论を合わせることで、大まかな宇宙の进化の过程が分かっています。

时系列で言うと、まず「インフレーション」と呼ばれる急激な膨张が起きたのち、138亿年前ごろに「ビッグバン」が起こり、宇宙が诞生したと考えられています。その后、宇宙には「ダークマター」と呼ばれる未知の物质や水素ガスが薄く広がり、しばらく天体が无い状态が続きました。そして、どこかのタイミングで星が生まれ、银河が形成されたと考えられています。しかし、初めて星や银河が诞生した正确な时期については、まだ明らかになっていません。そこで研究者は、より远くの银河を観测することによって、宇宙の歴史をたどろうとしています。远くの光が地球に届くまでには长い时间がかかるため、远くの银河の「今?この瞬间」の状态を见ることはできません。逆にいえば远くの银河を観测すると、远い过去の银河の姿を见ることができます。こうして、过去の宇宙の歴史について知ることができるのです。

── 宇宙には、どれくらいの数の银河が存在するのでしょうか？

宇宙の大きさ自体は分かっていませんが、ビッグバンの后に放出された「宇宙マイクロ波」をもとに観测できる「最远方」あるいは「最过去」と呼ばれる范囲は决まっています。その「観测できる范囲」の宇宙には、ある程度以上の明るさを持ち、现在の技术で観测可能なものに限っても、数十～数百万个もの银河が见つかるとされており、より暗いものを含めると、ほぼ无限にあると考えられています。

日本も建设に参画している、チリの巨大电波望远镜「アルマ望远镜（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉计）」のプロジェクトは、これまでに见つかったなかで最远方、つまり観测できるものとしては最过去にできた银河を见つけることに贡献しました。「アルマ望远镜」のような电波望远镜では、宇宙诞生から数亿年后、约130亿年前の银河を観测することができます。最近では、2021年に打ち上げられた米航空宇宙局（狈础厂础）の「ジェームズ?ウェッブ宇宙望远镜（闯奥厂罢）」が宇宙诞生から约3亿年后の银河を発见しました。

アルマ望远镜や闯奥厂罢では、最远方の银河を个别に発见することを目指して観测が行なわれています。いっぽう私の研究では、これから技术の発展がさらに期待される次世代望远镜の技术を活用して、银河の个别検出ではなく「数千万个の银河が成す构造」を観测することを目指しています。

データサイエンスの活用

── 現在取り組まれている研究について教えてください。

私たちが今ここに存在しているのはなぜか、という根源的な疑问を解き明かすために、宇宙の始まりはいつか、银河はいつ?どのように形成されたか、について解明していきたいです。约10亿年前に形成された银河については、すでにたくさんの情报が得られていますが、私たちは、数十亿年前、あるいはさらに以前の银河の分布を明らかにしようとしています。対象が远くなればなるほど観测は难しいため、手がかりを得るためには、まず、どのような観测方法が适しているのかについて検讨したのち、银河の存在が宇宙全体の进化に与えた影响を理论的にシミュレーションして推测する必要があります。最终的には、银河の集団の分布、つまり数千万个あると言われる银河がそれぞれ宇宙のどの辺りに位置しているのか、を把握することを目指しています。

研究においては、2025年にNASAが打ち上げを予定している近赤外線宇宙望遠鏡「SPHEREx」から観測データを得ることを想定しています。他にも、日本の共同研究者と波長1 mmの「ミリ波」帯の光検出器を作るプロジェクトを進めています。私たちが理論的な予測とデータ解析の手法を提案し、観測を専門とする研究者が検出器を作って観測するという共同作業です。また、大規模な観測データを手作業で分類?分析することは困難なので、データサイエンスの手法を取り入れ、大規模なデータから、特定の時代の银河の大規模構造を推測するために必要なデータを取り出そうと試みています。

── 実際に、どのような作業を行うのでしょうか？

础滨（人工知能）モデルの一つ「深层学习（ディープラーニング）」によって、取り込んだ2次元?3次元の画像データから、推测に必要なデータを取り出す作业を行なっています。最初に取り込んだデータには、必要な情报以外の情报がノイズとして含まれています。そこで、画像编集に使われる深层学习モデルを参考にして、ノイズを自动除去するモデルを作りました。情报系の研究分野では、部屋から窓越しに屋外の风景を撮った写真に映り込んだ室内の要素を分离して、风景だけを取り出すような画像処理技术が开発されています。この技术を天文学の研究に応用することで、さまざまな种类のノイズの除去が可能になりました。例えば、地球上から远くの银河を観察する际には、大気の揺らぎや、地球の周りの银河の像がノイズになります。他にも「辉线」と呼ばれる特定の波长の光を検出する际には、银河が発している他の波长の光もノイズとなり、除去処理が必要です。

天文学分野では、ここまでにお话したような电波を使った観测以外にも、人间の目で见ることができる「可视光」、目には见えない「赤外线」「紫外线」など、あらゆる手段を使って観测が行なわれています。例えば、银河が発する光のうち特定の辉线に注目する场合には、その波长の长さが银河までの距离、言い换えるとその银河の光が発せられた时代と関连します。天球面上の光の分布に加えて、その光の辉线の波长を调査して、叁次元的な分布を把握することが大きな目标です。この点については、先ほどからお话している厂笔贬贰搁贰虫によって、数年以内に実现できると考えられています。

私たちの存在を决定付けるパラメータ

── 観測技術が向上すると、これから何が分かるようになるのでしょうか？

闯奥厂罢のような宇宙望远镜によって、宇宙の进化に関する研究が进みました。ただし闯奥厂罢は、个别の银河を発见したり観测することはできても、広い领域に银河がどのように散らばっているのかを俯瞰することはできません。この点において厂笔贬贰搁贰虫や私たちが开発するサブミリ波帯の検出器が役立つと考えています。この検出器は、チリの「础厂罢贰望远镜（アタカマサブミリ波望远镜実験）」に取り付けて観测を行なう予定です。

今後は、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が構想する「月面天文台」のように、大気や電波の影響を受けず宇宙を観測する技術の向上が期待されています。また、電波による地上からの観測においても、広い土地にたくさんのアンテナを並べて観測する方法があります。例えば2028年には、1 km四方の土地をアンテナで覆いつくすプロジェクトが、西オーストラリア州のマーチソン電波天文台で始動します。日常生活から生じる人工的な電波に邪魔されない砂漠は、電波を使った観測に適しています。

このようなさまざまな観测技术の向上によって、现在の宇宙の性质の解明だけでなく、早期宇宙の谜についての手がかりがつかめるかもしれません。ビッグバンの后、宇宙の始まりの段阶では、阳子と电子が电离したプラズマ状态で动き回っており、その后、それらが电离していない中性の状态がしばらく続きました。しかし、それからさらに时を経て、现在の宇宙空间に広がっているガスの中では、阳子と电子が再び电离していると考えられています。

早期宇宙を知るためには、この「宇宙再電離現象」と呼ばれる現象が、どのタイミングで起きたのかを解明することが重要な課題となっています。银河全体に薄く広がる、暗くて見えにくい中性水素ガスは波長21 cmの電波帯で光ることが知られています。遠くの宇宙のガスの分布を知るためには、その光を捉えることが必要です。さらに、この21 cm波の微弱な光を捉えるためには、他の波長帯における観測結果も組み合わせることが重要です。この点において、これまでは紫外線が注目されていましたが、私たちは、银河中の酸素イオンから放出される可視光や遠赤外線の観測結果が有用であることを、世界で初めて示しました。今後は、银河が周りのガスをどのように加熱して電離させたのかについて、電波の観測を通してさらに情報を得たいと思っています。

── 银河の研究を通して見えてくることは何でしょうか？

宇宙がなぜ偶然诞生したのかについて解明することは、どうして今ここに私たちが存在しているのか、を知ることにつながります。人间が住むことができる环境を备えた地球は、天の川银河や太阳のような星があって、はじめて存在しています。宇宙空间に広がるガスの电离の歴史が异なれば、我々の住む银河も、今のような形ではなかったのかも知れません。宇宙论においては、宇宙がどういった性质を持っているのか、暗黒エネルギーがどれくらいの割合を占めているのか、などを决定づける数値を「宇宙论パラメータ」と呼んでいます。このパラメータが违っていたら、银河が形成されることもなく、今の私たちも存在していないかもしれないのです。このように考えてみると、天文の研究は、最终的に哲学的な问いに通じるところがあるのかもしれません。

森脇可奈
理学系研究科附属ビッグバン宇宙国际研究センター 助教

東京大学大学院理学系研究科物理学専攻博士課程修了、博士（理学）。宇宙论的シミュレーションや機械学習を使った银河形成?進化、宇宙再電離、宇宙论に関する研究を行う。2022年より現職。2024年「羽ばたく女性研究者赏（マリア?スクウォドフスカ＝キュリー赏）」第3回最優秀賞受賞。著書に（2022年、Springer Singapore）、共著論文に The Astrophysical Journal Letters 923 L7 (2021): 1-6[b].、 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 489, Issue 2 (2019): 2471–2477.[c]などがある。

取材日：2024年7月11日
取材：寺田悠纪、ハナ?ダールバーグ＝ドッド