髪の毛の1/7の銅線が中性子星級プラズマに! HZDRが撮影成功

研究成果は学術誌『Nature Communications』に発表された。プラズマ研究の歴史を塗り替える可能性を秘めた実験だ。

髪の毛より細い銅線にレーザーを撃つ実験

使われたのはX線と光、2台のレーザー

実験を行ったのは、ドイツのヘルムホルツ・ドレスデン・ロッセンドルフ研究センター(HZDR)のチーム。場所はハンブルク近郊シェーネフェルトにあるEuropean XFELのHED-HiBEF実験ステーションだ。

使われたのは2台のレーザーシステムだ。1台目は強力な光学レーザーReLaXで、これがプラズマを作る役割を担う。もう1台はX線自由電子レーザー(XFEL)で、こちらはできたプラズマの内部を覗く「カメラのフラッシュ」役を果たす。

2台のレーザーを連携させるという発想自体は珍しくないが、これだけ短いパルス同士をピタリと同期させながら同じ標的に当てるのは技術的に至難の業。ナノ秒(10億分の1秒)レベルのズレも許されない。HED-HiBEFはこの同期精度を追求するために建てられた専用施設だ。

両方のレーザーはパルス幅25フェムト秒および30フェムト秒と、目もくらむほど短い時間しか光らない。フェムト秒は1000兆分の1秒。1秒の間に光が地球を約7周半する一方、フェムト秒の間にはほとんど動かないほどの短さだ。

太陽内部級のエネルギーを瞬間注入

標的になったのは、髪の毛の太さの約7分の1しかない非常に細い銅線。ここに光学レーザーが直撃する。

注ぎ込まれるエネルギーは凄まじい。試料の表面に集中するエネルギー密度は1平方センチあたり約250兆メガワット。この「強さ」は地球上ではまず作れないレベルで、本来なら中性子星の周辺やガンマ線バーストの内部でしか見られない極限的な値だ。ここで誤解しないでほしいのは、これは中性子星の内部そのもの(超高密度で押しつぶされた物質)を再現したという意味ではない、ということ。あくまで「注ぎ込むエネルギーの桁」が、宇宙の最も激しい現場と肩を並べる、という話である。

直撃を受けた銅線は瞬時に蒸発し、数百万度のプラズマに変わる。原子から電子が次々と剥ぎ取られ、剥き出しのイオンと自由電子が混ざり合う混沌の状態が生まれる。ここで面白いのは、銅がプラズマになってもなお、ほぼ固体並みの高い密度を保ったまま加熱される点だ。専門的には「固体密度プラズマ」と呼ばれるこの状態は、ふつうに想像する薄くて広がったガス状のプラズマとは違い、ぎゅっと詰まったまま超高温になっている。この「高密度のまま激しく熱される」という条件こそが、恒星の外層のような極限環境と共通する部分であり、今回の実験が天体物理の研究とつながる理由でもある。

銅を選んだのには理由がある。原子番号29の銅は、レーザー核融合の燃料となる重水素や三重水素より重く、内部の電子の動きを観測しやすい。X線の吸収特性も、実験で扱いやすいエネルギー帯にちょうど収まっている。そして試料をあえて細い線状にしたのは、限られたレーザーのエネルギーを一点に集中させ、より極端な状態を作り出すためだ。標的が細ければ細いほど、同じエネルギーでもより激しい反応を引き出せる。

狙うのは22個の電子を失った銅イオン

チームが特に観測対象としたのが、22個の電子を失った銅イオン(Cu²²⁺)だ。銅原子は通常29個の電子を持つが、極端な高温下では大半を失って原子核に近い軌道の電子だけが残る。

このCu²²⁺は8.2キロエレクトロンボルトという特定エネルギーのX線を吸収する性質を持つ。XFELの光をぴったりこの値に合わせれば、プラズマ内のCu²²⁺だけを選択的に「見える化」できる仕掛けだ。

イオン化が進むほど吸収されるX線の量も変わるため、X線を当てるタイミングを少しずつずらしながら何度も実験を繰り返せば、プラズマの動きをコマ送り映像のように追いかけられる。これがポンプ・プローブ法と呼ばれる撮影手法だ。

1兆分の数秒で起きた電子の連鎖反応

2.5ピコ秒でCu²²⁺がピークに到達

ポンプ・プローブで見えてきたのは、想像を超えるスピードのドラマだった。

光学レーザーが銅線に当たった直後、Cu²²⁺イオンの数は急激に増え始め、約2.5ピコ秒でピークに達した。ピコ秒は1兆分の1秒。瞬きが0.3秒だとすれば、その1200億分の1の時間でイオン化が一気に進んだ計算になる。

ピークを過ぎると、今度は電子がイオンに取り込まれる「再結合」が始まる。Cu²²⁺の数は徐々に減り、約10ピコ秒で完全に消えてしまう。HZDR放射物理研究所の元所長トム・コーワン教授は「これほど精密にイオン化のプロセスを観察できた人は今までいなかった」と語る。

電子の波が連鎖的に他の電子を弾き飛ばす

コンピュータシミュレーションと組み合わせて分析したところ、電子の動きにも意外な真相が見えてきた。

最初のレーザーが銅原子から直接弾き飛ばすのは、ほんの数個の電子に過ぎない。ところがその電子たちは尋常じゃないエネルギーを抱えていて、まるで波のように物質中を伝わりながら、隣の銅原子の電子を次々に叩き出していく。

実験の責任者であるHZDR高エネルギー密度部門のリンゲン・ファン博士は、25〜30フェムト秒の極短パルスを使ったからこそ、この連鎖反応をリアルタイムで追えたと説明する。1個の電子が独立して動く現象ではなく、ドミノ倒しのようなマクロな波として進むことが見えてきた。この「波」としてのふるまいは、これまで理論やシミュレーションでは予想されていたものの、実際に目で見て確かめられたのは初めてだ。予想を実測で裏づける――地味に聞こえるが、これは科学にとって決定的に重要な一歩である。理論が正しいと確かめられて初めて、その先の設計や予測に安心して使えるようになるからだ。

ピコ秒のシャッタースピードという常識破り

このピコ秒スケールの連鎖は、従来のX線観測装置では到底捉えられなかった。European XFELが提供するX線パルスは、それ自体が30フェムト秒という極端に短い「シャッタースピード」を実現する。

たとえるなら、銃弾が砕いたリンゴの破片が空中に飛び散る瞬間を、超高速カメラでスナップ写真にするようなもの。ただし今回はそのリンゴが「中性子星周辺の極限プラズマ」で、シャッターは1000兆分の30秒という想像を絶するレベルだ。

European XFELは2017年に本格稼働を始めたヨーロッパ最大のX線レーザー施設で、トンネルの長さは約3.4キロメートル。光速近くまで加速した電子を磁石でくねらせて、世界最強クラスのX線パルスを生み出している。

核融合発電への応用と次のステップ

レーザー核融合と全く同じ物理現象

この実験が核融合発電と直結している点は見逃せない。レーザー核融合は、強力なレーザーで燃料ペレットを瞬時に高温プラズマ化させ、核融合反応を引き起こす方式だ。米国の国立点火施設(NIF)が2022年に「点火」を達成して以降、世界中で開発競争が加速している。

核融合のプラズマも、今回のCu²²⁺イオンの実験と本質的に同じプロセスをたどる。レーザーで生まれた高エネルギー電子の波が、燃料を加熱して反応を起こす。HED-HiBEFの責任者ウルフ・ザストラウ博士は、今回の発見が将来の核融合施設の設計に直接活かせると述べている。

NIFが2022年12月に達成した「点火」は、燃料に投入したレーザーのエネルギーを上回る量の核融合エネルギーを取り出せた瞬間だった。だが商用炉として使うにはさらに10倍以上の効率向上が必要で、その鍵を握るのがプラズマ内の電子挙動の正確な理解。今回の実験はまさにそこを直接観測したものだ。

シミュレーションの精度が桁違いに上がる

これまで核融合の設計は、コンピュータシミュレーションに頼る部分が大きかった。だがイオン化の連鎖反応をピコ秒単位で測定できなかったため、シミュレーションの精度には限界があった。

今回得られたデータは、シミュレーションの「答え合わせ」に使える唯一のリアル計測値だ。Cu²²⁺イオンが2.5ピコ秒で生まれて10ピコ秒で消えるという時間軸が判明したことで、設計値の信頼性が大幅に向上する見込みだ。

恒星の中身を地球で調べる実験室天体物理へ

応用は核融合だけにとどまらない。中性子星の表面、ガンマ線バースト、超新星残骸といった宇宙の極限環境は、地球から望遠鏡で見ているだけでは中身が分からない。

今回の手法を使えば、それらの天体内部で何が起きているかを地球の実験室で再現して観測できる。「実験室天体物理」と呼ばれるこの分野が、レーザー技術の進歩で初めて現実的な選択肢として浮上した形だ。

論文の成果が示すのは、レーザー1台分のスケールが宇宙の謎を解く鍵になりうるという可能性。今後はより重い元素や別の温度域でも同様の実験が計画されており、極限物質の謎解きが新しい段階に入る。

地上に作る「ミニ恒星」は、SF映画のような大袈裟な装置ではなく、髪の毛の7分の1の銅線にレーザーを当てるだけのシンプルなセットアップから始まる。それでも観測できる現象は、宇宙で最も激しい場所で起きているものと地続きだ。今回の実験は、人類がまた一歩、極限物質の世界を直接見られるようになったことを意味している。

個人的にこの実験でうなるのは、「たった髪の毛の7分の1の銅線」から、宇宙の最も激しい現場と地続きの物理が引き出せることだ。もちろん、これは中性子星そのものを地球に作ったわけではない。再現できたのは、注ぎ込むエネルギーの桁と、そこで起きる電子のふるまいだ。それでも、望遠鏡でしか眺められなかった極限の世界に、実験室の中から手を伸ばせるようになった意味は大きい。派手な「中性子星級」という言葉に酔うのではなく、その裏で1000兆分の1秒を捉えた技術の緻密さにこそ、本当のすごみがある。地道な計測の積み重ねが、いつか核融合発電という大きな実りにつながっていく――そう考えると、この小さな銅線の実験が、ぐっと頼もしく見えてくる。