宇宙を覗くための「巨大な網」を編む、1キロメートル平方メートルの電波望遠鏡アレイの精度はどれほどでしょうか?

著者 |周吉豪

監査 |黄建

編集者 |趙静源

電波天文学は、宇宙の深部からの電波放射を検出することで天体物理現象を研究する学問です。無線帯域の波長範囲は非常に広いです。地上から受信できる電波の波長は数ミリメートルから数十メートルの範囲です。これらは星間物質や地球の大気圏を貫通し、豊富な天文学的情報を運ぶことができます。しかし、従来の電波望遠鏡は、機器のサイズと感度に制限があり、微弱な宇宙信号を捉えることは困難です。現在建設中のスクエアキロメートルアレイ（SKA）は、大規模な電波望遠鏡アレイと高度な合成開口技術により、前例のない観測能力を実現する虫眼鏡のような衛星です。

2024年3月に設置されたSKA-Lowアンテナの最初のバッチ（写真提供：SKAO）

SKA の建設は 2 つのフェーズに分かれています。最初のフェーズは以前は SKA1 と呼ばれることが多かったのですが、現在では SKA と呼ばれることが一般的です。これは、低周波アパーチャアレイ (SKA-Low) と中周波アパーチャアレイ (SKA-Mid) の 2 つの部分で構成されています。このフェーズの建設は2022年12月に開始され、2028年に完了する予定です。SKA-Lowはオーストラリアにあり、131,072個の小型アンテナユニットで構成されています。各アンテナは高さ約2メートルで、クリスマスツリーのような形をしています。最初の一連のアンテナは2024年3月に設置されました。SKA-Lowは主に低周波電波（50MHz～350MHz）を受信し、ビッグバン後の初期段階、特に宇宙の再電離期を研究します。 SKA-Midは南アフリカに建設され、直径約15メートルのパラボラアンテナ197基で構成される予定だ。この衛星は、中周波電波（350MHz～15.4GHz）を受信し、銀河、パルサー、ブラックホールなどの天体を研究するための高解像度画像を提供する役割を担う。 SKA の拡張フェーズは以前は SKA2 として知られていました。このフェーズは、将来のさらなる建設に向けたビジョンです。具体的な建設内容や時期についてはまだ検討中だが、今後、望遠鏡の感度や解像度をさらに高めるため、世界中でさらに多くのアンテナアレイが追加される予定だ。

SKA-Mid の芸術的構想 (SKAO からの写真)

SKAは完成後、マイクロ波背景放射、銀河の進化と大規模構造、高速電波バーストなどの最先端のテーマを含む多くの科学研究課題に取り組むことになります。

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、ビッグバンから約38万年後に宇宙が高温のプラズマから中性水素が形成できる温度まで冷却されたときに残った残光です。しかし、CMB の観測は、銀河やクエーサーなどの天体からの電波放射など、前景の電波源によって干渉されることがよくあります。 SKA の高感度と広い周波数範囲は、これらの前景信号、特に天の川からのシンクロトロン放射とクエーサーからの電波放射を正確に測定するのに役立ちます。その結果、科学者はCMBデータの前景干渉をより効果的に除去できるようになり、CMB観測の精度が向上し、初期宇宙の物理的状態と進化のプロセスがさらに明らかになります。同時に、SKA の観測能力により、宇宙の再電離の時代に光子の主な供給源であった可能性のある高赤方偏移銀河を検出することも可能になります。これらの銀河の特性と進化を理解することで、科学者は再電離期のプロセスをより深く理解し、CMB のモデルを改良することができます。

宇宙マイクロ波背景放射画像（ESA 提供の画像）

SKA は、銀河や銀河団の精密な測定を通じて、宇宙の大規模構造の詳細な画像を提供することができます。これらの観測結果を CMB データと組み合わせると、ハッブル定数、物質密度パラメータ、暗黒エネルギーパラメータなど、宇宙の基本的なパラメータを正確に決定するのに役立ちます。さらに、このシステムは重力レンズ効果を観測することで宇宙の暗黒物質の分布を測定するのに役立ち、そのデータをCMBのレンズ効果観測と組み合わせることで、宇宙物質の分布のより包括的な画像を提供します。

地球に到達する高速電波バーストの芸術的概念図（北京天文館提供、Yu Jingchuan 作）

SKA は、いくつかの緊急事態をタイムリーに観測することもできます。高速電波バースト (FRB) は、わずか数ミリ秒しか持続しない、短いが非常に強力な電波エネルギーバーストです。 FRB は突然かつ短時間に発生するため、観測と研究は困難です。 SKA は感度が高く応答が速いため、FRB の研究に最適なツールです。 SKAは、空の広い範囲をリアルタイムで監視することで、より多くのFRBイベントを捉え、正確な位置情報を提供し、FRBの発生源をさらに明らかにすることが期待されています。これにより、天文学者は中性子星の合体、ブラックホールの集積、銀河中心の激しい活動など、これらの現象の物理的メカニズムについて詳細な研究を行うことができるようになります。

2023年7月現在、SKA建設に参加する国の分布（SKAOより写真提供）

2019年3月、建設と運用の調整のため、創設メンバー7か国（オーストラリア、中国、イタリア、オランダ、ポルトガル、南アフリカ、英国）は、イタリアのローマに平方キロメートルアレイ天文台（SKAO）を設立し、その本部を英国のジョドレルバンク天文台に置きました。現在、SKAOの加盟国・オブザーバー国は16か国に増加しており、さらにアフリカの8か国が調整に参加しており、今後もさらに多くの国が参加する予定です。

世界最大の電波望遠鏡アレイであるSKAは、宇宙の謎を捉えるために地球上に巨大な網を張り巡らせているようだ。 SKA が徐々に構築され、利用されるようになると、人類は多くの分野で画期的な進歩を遂げるでしょう。同時に、天文学の発展を大きく促進し、人類が宇宙の謎をさらに解明するのに役立つでしょう。

参考文献

[1] Wu Manqing、Cao Rui、Tao Xiaohui、他。世界最大の合成開口望遠鏡SKA[J]の低周波デジタルアレイシステムの研究。中国科学: 情報科学、2015、45 (12): 1600-1614。

[2] 陳雪雷、石虎里。 Tianlai プロジェクト: ダーク エネルギーの無線検出と平方キロメートル アレイ (SKA) [J]。物理学、2013、42（01）：2-11。

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[7] エル・ドン専門家が世界最大の電波望遠鏡アレイを解釈する[J]。宇宙探査、2012(2):50-51。

[8] オーストラリア国立望遠鏡施設、スクエアキロメートルアレイ、https://www.atnf.csiro.au/projects/SKA/index.html

[9] SKA 望遠鏡、SKAO、https://www.skao.int/en/explore/telescopes

[10] SKA観測所、オーストラリアと南アフリカでの望遠鏡建設開始を祝う、SKAO、https://www.skao.int/en/news/441/ska-observatory-celebrates-start-telescope-construction-australia-and-south-africa

[11] ジョナサン・エイモス、SKA：世界最大の望遠鏡の建設開始、BBC、https://www.bbc.com/news/science-environment-63836496

[12] SKA 望遠鏡の仕様、SKAO、https://www.skao.int/en/science-users/118/ska-telescope-specations

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