『三体問題』の魔法がなければ、どうやって宇宙に「放送」できるのでしょうか?この魔法の指輪が鍵です！

今年、SF小説『三体』がついにテレビシリーズ化され、小説ファンに楽しいひとときを与えた。「三体」には次のような筋書きがあります。葉文潔は太陽を利用して紅海岸基地から送られた信号を増幅し、三太陽人がその信号を受信できるようにしました。現実世界では、科学者はまだ葉文潔の魔法を所有しておらず、太陽を使って地球から宇宙全体に信号を送信することはできません。

他に解決策はないのでしょうか?持っている。太陽を利用して、送受信する信号を方向性を持って増幅する方法があります。この物語は、100年以上前の有名な日食観測から始まります。

1. 重力は光を曲げますか? 1919 年の皆既日食の観測でそれが確認されました。

1916年、アインシュタインは一般相対性理論を発表しました。これはニュートンの重力の説明を覆し、空間と時間の伝統的な概念を廃止し、物理学のまったく新しい枠組みを構築しました。

一般相対性理論では、重力は時空の曲率を引き起こすため、光も重力の影響を受けて曲がります。

アインシュタインは、太陽の重力によって光が曲げられるのはわずか1.75 秒角であると計算しました。

すぐに、イギリスの天文学者ダイソンは、1919年5月29日の皆既日食が太陽の重力による光の偏向を測定する絶好の機会となり、それによってアインシュタインの予言を検証できることに気づきました。

その皆既日食の間、太陽は明るいヒアデス星団（星団は重力によって形成される星の集まり）の前に位置していました。日食のとき（太陽が完全に覆われたとき）、この星団の多くの明るい星が観測されました。このように、最大日食の時の星の位置と、太陽がこの領域にない時の位置を比較することで、光が太陽の重力によって曲げられているかどうか、またその偏向角度がどれくらいかを知ることができます。

星団には多くの星があり、測定される星の位置が多ければ多いほど、誤差は少なくなります。その後、彼らは詳細な観察計画を作成しました。

ダイソンは総監督としてイギリスに残った。

エディントンはチームを率いて西アフリカのプリンシペ島へ向かった。彼らのチームは曇り空という不運に見舞われたが、それでも16本のフィルムを撮影することに成功した。

クロメリン氏は別のチームを率いてブラジル北部のソブラルへ向かった。当時のブラジルの気象条件は今より良かったのですが、機材に問題があり、撮影したネガの多くは鮮明ではありませんでした。幸運なことに、彼らは同時にバックアップ装置を使用して観測し、最終的にバックアップ装置の観測結果の方が重要であることを発見しました（図1）。同年11月、ロンドンで開催された王立協会と王立天文学会の合同特別会議で、両氏は共同で測定結果を発表しましたが、その測定結果はアインシュタインの予測に非常に近く、一般相対性理論を検証するものであり、その後世界的なニュースとなりました（図1）。

図 1 (上): 1919 年 11 月 22 日のイラストレイテッドロンドンニュースに掲載された皆既日食観測の結果に関するニュース。下: 100 年後にヨーロッパ南天天文台がブラジルのソブラルで撮影したネガの再構成。黄色の円は近くの星を示します。 (出典: https://cseligman.com/text/sky/eddington.einstein.htm)

2.アインシュタインリング：重力による光の偏向によって生じる現象

重力は光を曲げます。これは光源の前にレンズを置くのと似ているため、「重力レンズ」効果とも呼ばれます。

遠方の天体、レンズ天体（非常に大きな質量を持つ天体）、地球が正確に一直線上にあり、3者間の距離がちょうどよく、地球上で観測される「屈折」した光が収束すると、形成される像はリングになり、 「アインシュタインリング」と呼ばれます。

天文学的観測では、図 2 に示すように、実際に多くのアインシュタインリングが観測されています。中央の明るい黄色の銀河はレンズオブジェクトであり、周囲の青いリングは「屈折」したより遠方の銀河です。レンズ物体は光学レンズのように機能し、遠くの物体の明るさと大きさを拡大します。しかし、実際には、これは重力の影響により光が偏向する現象に過ぎません。

図 2 ハッブル望遠鏡で撮影されたさまざまな銀河の重力レンズ効果によって生成されたアインシュタインリング。 (画像提供：NASA/ESA/A. Bolton/SLACS チーム)

3.信号を増幅しますか?望遠鏡を太陽から550AUの距離に設置する→

太陽は私たちに最も近い質量を持つ天体であり、太陽系の質量の 99.8% 以上を占めています。 100年以上前の観測により、太陽は光を曲げることができ、曲げられた光は別の地点に収束し、そこでは以前よりもはるかに多くの光を受け取ることができることが確認されています。

したがって、太陽をレンズオブジェクトとして使用して、太陽の背後にある遠くの物体からの信号を増幅することができます。

太陽の重力によってアインシュタインリングも生成されることがあります。どうすれば観察できるのでしょうか? （上で述べたアインシュタインリングの観測条件を思い出してください）

1. 太陽の後ろの遠い天体、太陽（レンズ天体） 、望遠鏡が一直線上にあること。

2.望遠鏡が太陽から遠いほど、観測されるアインシュタインリングの直径は大きくなります。アインシュタインリングが太陽の直径よりも大きい場合にのみ、私たちはそれを観測することができます。

では、アインシュタインリングを太陽の直径よりも大きくするにはどうすればいいのでしょうか?ここで重要なパラメータがあります。それは、望遠鏡と太陽の間の最小距離です。アインシュタインリングは、遠方の天体、太陽、望遠鏡を結ぶ線上のこの最小距離よりも遠い場所でも観測できます（図 3 を参照）。

計算によると、望遠鏡から太陽までの最短距離は約550天文単位（1天文単位は地球から太陽までの距離）で、これは冥王星と太陽の間の距離の14倍に相当します。現在、人類が飛行させた最も遠くまで飛行した探査機はボイジャー1号と2号で、40年以上飛行しているが、飛行した距離はわずか150天文単位程度である。

図3 太陽の重力レンズ効果によって生じるアインシュタインリングの模式図。オレンジ色の四角は、アインシュタインリングが見える最小距離で、太陽から約 550 AU です。オレンジ色の点線は重力レンズの焦点線を表しており、この線に沿ってアインシュタインリングが見える（出典：著者作成）

ここで観測されるアインシュタインリングの面積と信号の波長によって、信号をどれだけ増幅できるかが決まります。アインシュタインリングの面積はその直径と幅によって決まり、その幅は望遠鏡の口径に相当します。

したがって、望遠鏡の口径が大きいほど、また望遠鏡を遠くに設置するほど、信号は増幅されます。たとえば、1 メートルの望遠鏡を 600 天文単位の距離に設置すると、観測されるアインシュタインリングは赤外線信号を数十億倍に増幅することができます。

この望遠鏡を信号送信機に置き換えて太陽に向けて信号を送ると、太陽の重力によって生成されたアインシュタインリングは、550天文単位以上の距離にある反対方向の直線上にも観測され、それに応じて信号を数十億倍に増幅することができます。ただし、増幅された信号のカバー範囲は非常に狭く、1 平方秒角未満で、非常に狭い光線のようになります。このビーム内にある望遠鏡だけが増幅された信号を検出できます。

したがって、太陽を利用してトリソラランに送られる信号を増幅したり、トリソラランからの信号を監視したりするには、アルファケンタウリ（トリソラランの故郷の惑星の原型）と太陽を結ぶ線上に、太陽から550天文単位離れた場所に送信機または望遠鏡を設置する必要があります。これにより、信号の送信や弱い信号の監視に必要な電力を大幅に節約できます。

もちろん、アルファケンタウリの惑星では、異星人の文明どころか、生命の兆候もまだ見つかっていません。

4. 星間インターネットの夢に向かって前進し続けましょう!

このように長距離に送信機や望遠鏡を設置することは、現在の航空宇宙技術にとっては非常に困難な作業です。しかし、それは科学者が概念的な研究を行うことを妨げるものではありません。

1979年早くも、天文学者のエシュルマンは、太陽の重力レンズ効果を星間通信に利用できると提案しました。

1993年、イタリアの天文学者マコーネは、欧州宇宙機関に「FOCAL」と呼ばれる概念プロジェクトを提案した。これは、太陽の重力レンズ効果を利用して地球外文明の通信を監視するために、550天文単位まで宇宙船を打ち上げるというものである。その後、彼はこのプロジェクトについて議論し、改善するために多くの論文とモノグラフを執筆しました。

1999 年、ジェット推進研究所のウェスト氏は、太陽の重力レンズ効果を天体観測に利用することの実現可能性を探るため、NASA が資金提供した「太陽重力望遠鏡」と呼ばれる概念研究の詳細を論文にまとめました。

近年、NASA の革新的先進概念プログラム (NIAC) は、太陽の重力レンズ効果を利用して太陽系外惑星を撮影するプロジェクトに継続的に資金を提供しています。

信号を増幅するために、太陽だけでなく他の星も重力レンズとして使うことができます。

将来、私たち人類は探査機を送り、アルファケンタウリの惑星を訪問するでしょう。探査機からのデータは、その恒星によって増幅されて太陽系に送り返され、その後太陽によって増幅された後に受信されます。

もっと遠い将来、恒星間航行が実現し、広大な宇宙を探索できるようになれば、恒星の重力レンズの焦点線上に情報伝送ノードを設置し、星を使って、まるで恒星間インターネットのように銀河をまたぐ通信ネットワークを構築することができるようになるでしょう。

参考文献:

1. https://arxiv.org/pdf/1912.05587.pdf

2. https://arxiv.org/pdf/1706.05570.pdf

3. https://arxiv.org/pdf/2009.01866.pdf

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

企画：翟国清

制作：中国科学普及協会