ラジオ天文台が宇宙の深くからの信号をどのように検出するか

ラジオ天文台は光学望遠鏡とは見た目が異なりますが、基本的な原理は同じです。光を集め、焦点を合わせ、それを分析することです。違いは波長にあります。米国国立ラジオ天文学天文台（NRAO）によると、ラジオ天文台は約1ミリメートルから10メートルの波長を観測し、これは可視光の数百ナノメートルよりもはるかに長いため、その「レンズ」はガラスではなく金属製のディッシュです。

微弱なささやきを利用可能なデータに変える

NRAOは宇宙ラジオ信号を驚くほど弱いものとして説明し、単一の携帯電話信号は、これらの望遠鏡が検出するために構築された微弱な宇宙ラジオ波よりも約十億倍十億倍強力なパワーを持つことを指摘しています。何か有用な情報をキャッチするには、ラジオ天文台は大きな集光面積と感度の高い電子機器が必要です。

• 入射したラジオ波をその上の単一焦点に反射する曲線形をしたパラボラディッシュ
• その焦点にある給電ホーン。観測する波長に合わせたサイズの金属製じょうごで、波を受信機に導く
• 受信機。多くの場合、極度に冷却されており、信号を検出して受信機に渡す
• アンプ。信号を増幅してから記録して分析する

複数の望遠鏡をリンクする：干渉測定法

しかし、単一のディッシュがどんなに大きくても、光学望遠鏡が達成できる微細な詳細に匹敵することはできません。NRAOは、ラジオ天文学者がこれを干渉測定法で解決すると説明しています。複数のアンテナを同じ天体に向け、コリレーター（スーパーコンピュータ）を使用して、それらがまるで1つの巨大な望遠鏡から来たかのように信号を結合するのです。同じ宇宙信号は各アンテナに異なる時間に到達するため、結果的なタイミング差により、天文学者は単一のディッシュ単独ではキャプチャできないよりもはるかに多くの詳細を再構成できます。NRAOは、コリレーターをフェムト秒速度で実行でき、毎秒最大16クワッドリリオン回の計算を実行でき、そのVery Long Baseline Arrayはアンテナを大陸全体に広げ、水素メーザー原子時計で同期させることができ、精度は数十億分の数秒に達することを述べています。

地球サイズの望遠鏡でブラックホールを画像化する

この手法の最も明確な実例は、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）です。NRAOによると、地球全体に広がる8つの地上ラジオ望遠鏡をリンクしており、2017年のキャンペーン中にVLBI（Very Long Baseline Interferometry）を使用して観測され、地球のサイズとほぼ同じ単一の計測機器として機能しました。各望遠鏡は1日あたり約350テラバイトのデータを記録しました。記録は後でマックス・プランク・ラジオ天文学研究所とMITヘイスタック天文台の専門のコリレーターに空輸され、結合されました。

対象は銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールでした。その事象の地平線は約400億キロメートルに及びますが、地球からは、その影の周りの明るいリングはわずか約40マイクロアークセコンドの大きさです。— NRAOが「月の表面のクレジットカードの長さを測定する」ことに例えるスケール。結合されたデータはブラックホールの影の初の画像を生成しました。

宇宙全体からの瞬間的なフラッシュをキャッチする

すべてのラジオ望遠鏡がディッシュに依存するわけではありません。ブリティッシュコロンビア州にあるドミニオン・ラジオ天体物理学天文台のCHIME（カナダ水素強度マッピング実験）は、MIT Physicsによると、4つの固定された半パイプ形の円筒リフレクターを使用し、可動部品がありません。ハードウェアのステアリングの代わりに、そのコリレーターは毎秒約7テラビットのデータを処理し、空全体の数千の方向から同時に到達する信号をデジタル的に再構成します。

このデザインにより、CHIMEは高速ラジオバースト（FRB）をキャッチするのに非常に効果的になりました。FRBは、深宇宙からのミリ秒長のラジオエネルギーのフラッシュです。操業初年度の2018年から2019年に、CHIMEは535の新しいFRBを検出し、それまでに世界中で知られていた約140のバーストをほぼ4倍にしたと、MIT Physicsが報告しました。この獲物には、繰り返しバーストする18の源が含まれ、このパターンは繰り返しと一度限りのFRBが異なるastrophysical機構から発生する可能性があることを示唆しました。

世界最大のディッシュと次のステップ

中国の五百メートル開口球面ラジオ望遠鏡（FAST）は、貴州省の天然の谷に構築され、約4,400個の調整可能なアルミニウムパネルで作られた500メートルのディッシュを持つもので、任意の時点で約300メートルの有効開口を持つとEarthSkyは述べています。これは10センチメートルから4.3メートルの波長を観測し、それが超えた305メートルのアレシボディッシュの約2倍の集光面積を持ちます。FASTは2020年1月に完全に稼働開始し、2021年8月に国際研究者への観測時間の約10%の配分を開始しました。

その感度は、パルサーの記録的な獲得に変わりました。— 地球を過ぎて灯台のようにラジオ波のビームを掃引する高速回転する中性子星です。2025年10月の時点で、FASTは1,152個のパルサーを特定しており、中国国営放送CGTNが報告したように、同じ期間に世界中の他の望遠鏡によって発見されたもの全体の合計数を上回っています。

スケールの次のジャンプは既に建設中です。SKA天文台は、プロジェクトの独自の説明に従い、2つの相補的なアレイを構築しています。西オーストラリア州のSKA-Lowは131,072個のアンテナで構成され、最大ベースラインが74キロメートル。南アフリカのSKA-Midは197個のディッシュアンテナで構成され、最大ベースラインが150キロメートルです。2つのサイトを合わせることで、天文学者は既存の計測機器が許可するよりも詳細に銀河構造、ブラックホール周辺の環境、重力波を研究することができるように意図されています。