山口県に日本最大級の電波干渉計が誕生へ - KDDIの衛星通信アンテナを改造
KDDIと山口大学は1月26日、KDDI山口衛星通信所にある大型パラボラ・アンテナを、衛星通信用から電波望遠鏡へ改造し、ブラックホールなどの宇宙観測研究に活用すると発表した。
KDDIは2001年にも別の大型パラボラ・アンテナを国立天文台に譲渡しており、電波望遠鏡に改造され、現在は山口大学が研究に使用している。同大学では今回借用するアンテナと組み合わせることで「山口干渉計」を構築。日本最大級の電波干渉計として、ブラックホールなどの宇宙観測研究に挑む。
今回は同日に行われた記者会見の模様から、KDDI山口衛星通信所の来歴や電波望遠鏡の概要、観測により期待される成果などについて見ていきたい。
○見渡す限りのパラボラ・アンテナ、世界の通信を支える西の関門局
KDDI山口衛星通信所は山口県山口市仁保中郷という、周囲を山に囲まれた、緑豊かな場所にある。敷地内には大小さまざまなパラボラ・アンテナが立ち並び、これらのアンテナによって、静止通信衛星「インテルサット」や「インマルサット」からの通信を受け止め、通信先へ中継する役割を担っている。
KDDIは1963年(当時はKDD)に、茨城県に「茨城衛星通信センター」(当時は茨城衛星通信所)を開所し、日米間の衛星テレビ通信の中継を行っていた。
開所直後、米国との衛星通信実験が行われた最中に飛び込んできたのが「ケネディ大統領の暗殺」という衝撃的なニュースだったことは、歴史の教科書に載るほど有名な事件である。しかし、同通信所は主に太平洋を挟んだ米国との通信用に造られたため、日本の西側にある欧州やアフリカなどとの交信はできなかった。
そこで山口県に新しい衛星通信基地が造られることになり、1969年5月に開所したのがこのKDDI山口衛星通信センター(当時はKDD山口衛星通信所)である。山口県からであれば太平洋だけでなく、インド洋上空の衛星との通信もでき、また台風や地震などの災害に見舞われる可能性も少ないこと、さらに周囲を山に囲まれていることで通信にとって厄介な雑音も少ないことなどが、この地が選ばれた理由だという。
その後、2007年に茨城衛星通信センターは閉所され、同所が担ってきた機能はすべて、この山口衛星通信センターに統合されることになった。現在では日本最大にして、世界でも有数の大きさをもつ衛星通信基地となっている。
○衛星通信アンテナから電波望遠鏡へ
山口衛星通信センター内には、合計で24基のアンテナが並んでいる。その中でもひときわ目を引くのが、アンテナの直径(口径という)32mと34mの大型パラボラ・アンテナである。
32mの「山口第4アンテナ」は1979年に、34mの「山口第2アンテナ」は1980年に建設され、衛星テレビや国際電話、国際データ通信など、さまざまな通信を国内外へ中継し続けてきた。しかし現代では、海底ケーブル網が発達したことや、通信衛星の性能が上がり、より小さなアンテナでも通信ができるようになったことなどを受け、大型アンテナは衛星通信としての役目を終えることになった。
しかし、アンテナそのものの役目はそこで終わらなかった。新たに「電波望遠鏡」として、第二の人生を歩み始めることになったのである。
「望遠鏡で宇宙を見る」には、大きくふたつのやりかたがある。ひとつは市販の天体望遠鏡や、あるいはハワイにある「すばる」望遠鏡のように、可視光、つまり人間の目に見える光で観測する方法。そしてもうひとつが、赤外線やX線、ガンマ線、電波といった、人間の目には見えない電磁波で観測する方法である。天体はあらゆる電磁波を出しているため、可視光だけでは見えなかったことが、他の電磁波を使うと見えるようになる。
電波望遠鏡では宇宙の天体からやってくる電波を捉える必要がある。一方、衛星通信用のアンテナも、宇宙の人工衛星からやってくる電波を捉えるように造られている。両者は受信機器など細かな点は異なるものの、設備をそのまま共有することができる。
まず2001年に、山口第4アンテナの運用が終わり、国立天文台へ無償譲渡されることになった。その後、電波望遠鏡にするための改造が行われ、2002年から「第1電波望遠鏡」として運用が始まっている。現在は国立天文台との協定により、山口大学と共同で研究に活用されている。
第1電波望遠鏡では、単体での観測はもちろん、国内や中国、韓国、台湾などにある他の望遠鏡との連携による観測も行われており、東アジア地域における観測の中核的な存在にある。これまで星が誕生する様子やブラックホールの観測が行われており、2011年には形成中の星の周囲にあるガスが、回転し、中心の星へ向けて落下している様子を検出することに成功している。
そして山口第2アンテナもまた、2015年に運用を終えることになり、「第2電波望遠鏡」として活用されることになった。第2電波望遠鏡は単体でも運用されるほか、隣接する第1電波望遠鏡と連携することで「干渉計」という仕組みを構築でき、単一の望遠鏡では達成できないほどの高い能力で、宇宙を観測できるようになる。
●「山口干渉計」の誕生へ
○山口第2アンテナも電波望遠鏡に
第2電波望遠鏡は1980年に山口第2アンテナとして建設され、インド洋上の静止軌道に配備された通信衛星「インテルサット」との通信で運用が開始された。その後約35年間にわたって、インド洋と太平洋上の静止衛星とを結んだ、国際電話や国際データ通信、国際テレビ伝送などの国際通信サービスで活躍した後、2015年に運用を終了した。
そして山口大学の要望に応じ、昨年11月にKDDIと山口大学との間で第2アンテナの賃貸借契約が結ばれた。契約期間は今月から来年3月までの1年3カ月で、その後も必要に応じて更新が行われていく予定になっている。
第2電波望遠鏡のアンテナの口径は34mで、これは国内第3位の大きさを誇る。その表面は432枚のアルミ製パネルで構成されている。
内部にはセンサーとヒーターが内蔵され、雪などが積もると自動的にヒーターの電源が入り、雪を溶かすようになっている。また熱による膨張や収縮に対応するため、パネル同士の間は若干隙間が開けられている。
高さは最大42mで、重量は430トン。電動モーターによって土台を360度回転させることができ、方位を自由に変えることができる。またアンテナの上下の角度(仰角)は0度から90度まで、こちらも自由に変えることができる。
もっとも、衛星通信で使われていたころは、静止衛星は上空の一点でほぼ静止しているため、アンテナを頻繁に動かす必要はなかったので、電波望遠鏡になって初めて真価を発揮することになる。
同大学の藤沢健太(ふじさわ・けんた)教授は、「ひとつの大学がこれほどの規模の望遠鏡を使えるというのは、あまり例が無いこと」と語る。あまり、というのは、実は茨城大学も、前述の閉鎖されたKDDI茨城衛星通信センターにあった大型パラボラ・アンテナの提供を受け、電波望遠鏡に改造して研究に使用しているためである。
したがって山口大学と茨城大学とはお互いに仲間同士であり、またライバル同士でもあるという。今後は実際に電波望遠鏡に改造するために必要な、駆動部や受信機、電波信号分析システムなどの開発が行われることになっている。計画では今年中に工事を終えて観測を開始し、2017年にも何らかの成果を発表したいとしている。
○山口干渉計
第2電波望遠鏡ができたことによる最大の特長は、隣接する第1電波望遠鏡との共同で、「干渉計」という仕組みを構築することができる点にある。
望遠鏡で対象を細かく見ようとすると、口径を大きくする必要がある。たとえば可視光を見る望遠鏡の場合、市販の天体望遠鏡でも高性能なものは筒の部分が太くなっており、ハワイにある世界最高性能の望遠鏡である「すばる」は8.2mもの口径をもっている。
電波望遠鏡でも口径が大きいほうが、より遠くの天体を鮮明に見ることができる。では、直径34mの第2電波望遠鏡は、直径8.2mの「すばる」よりもはるかに良く見えるのかといえば、実はそうではない。
そこには光と電波の波長の違いがある。電波のほうが波長が1000倍以上も長いため、仮に「すばる」と同じだけ細かく見ようとすると8.2m x 1000 = 8200mという、途方も無い大きさの口径が必要になってしまう。
そこで、離れたところに置いた2基以上の望遠鏡を使い、同じ対象を同時に観測する「干渉計」という仕組みを使うことで、単一の望遠鏡では到底実現不可能な大きさの口径を、擬似的に作り出すことができる。
山口大学では、第1電波望遠鏡と第2電波望遠鏡で干渉計を構築。「山口干渉計」と名付け、これまで誰も見たことがない宇宙の姿の解明に挑む。
もっとも、第1と第2電波望遠鏡の間の距離は110mほどと近いため、角度分解能(どれだけ細かく見られるかを角度で示したもの)は小さい。しかし、周波数に対して連続的に放射強度が変化している「連続波天体」に対する感度はとても高くできるという特長をもっている。おおまかな数字で言うと、第1電波望遠鏡だけで観測したときと比べ、100倍近い感度で観測できるようになるという。
藤沢教授はこの性能向上について、「たとえば星が爆発している様子などは、これまで第1電波望遠鏡だけでは見られなかった。それが感度が100倍になることで捉えることができるようになり、またブラックホールなどの観測でも新しいものが見えてくるだろう。また、今まで見られなかった天体も見えるようになる。とにかくいろいろ見えるようになる」と語る。
藤沢教授らが着目しているのは、天体の明るさが短時間に大きく変化するような「爆発現象」である。その中でもとくにブラックホールに興味があるという。ブラックホールとは、星が爆発したあとに残される小さいながら重力の大きな天体で、その重力で光をも吸い込んでしまうことから「ブラックホール」と呼ばれており、研究者から大きな注目を集めている。
しかしブラックホールは、この天の川銀河の中に100万個から1億個ほどあると考えられているものの、これまで見つかっているのは50個ほどに過ぎない。これを山口干渉計で探査し、より多くのブラックホールが見つけたいという。藤沢教授は「ブラックホール研究に新しい流れを作りたい」と意気込みを語った。
ただ「ブラックホール」を見つけたいとは思うものの、最初から狙ってうまくいくかどうかはわからない。そこで手堅い研究対象として、星の表面の爆発現象の観測も行いたいという。例えば、太陽は常に一定の明るさで眩しく光っているように見えるが、実はときどき表面で大爆発が起こることがある。これがなぜ起こるのかは完全にはわかっていないが、近年の研究で、電波を使って観測することでより顕著に見えることがわかっており、山口干渉計でもこの現象に着目し、研究をしていきたいとしている。
○KDDI山口衛星通信センターは一般の見学も可能
KDDIグローバルネットワーク・オペレーションセンターの河合宣行（かわい・のぶゆき）副センター長は「第1電波望遠鏡と合わせて観測が行われることで、今後の世界的な天文研究へ貢献することができる。また地元山口大学の要望に応えることにより、当社の地元貢献に寄与することもできる。当センターの30m級アンテナは国内でも有数の施設であり、施設見学に来られるお客さまにとっても魅力的な価値の維持、向上につながる」としている。
なお、KDDI山口衛星通信センターは一般公開されており、アンテナの近くまでは入れないが、遠目からでもその迫力は十分に伝わる。
また、センター内には広報施設「パラボラ館」もあり、KDDIによる衛星通信や海底ケーブル通信への取り組みの歴史や現状、技術の仕組みなどについて学ぶことができるようになっている。
牧尾さんは「電波望遠鏡による観測結果や成果についても、パネルなどを置くコーナーを設けることで、子供たちに宇宙のこと、電波のことの関心を高めていただけると期待している」と語った。【参考】
・KDDI、衛星通信用のパラボラアンテナを活用して山口大学の宇宙観測研究に協力
http://news.kddi.com/kddi/corporate/newsrelease/2016/01/26/1560.html
・KDDIパラボラ館
http://www.kddi.com/parabola/
・宇宙電波観測センター > 山口32m電波望遠鏡
http://www.astro.sci.yamaguchi-u.ac.jp/yamaguchi32m.html
・2015年度VERAユーザーズ・ミーティング@水沢 山口干渉計 藤沢健太(山口大学)
http://veraserver.mtk.nao.ac.jp/restricted/UM2015/PO19_UM15_Fujisawa.pdf
・電波干渉計のしくみ - アルマについて - アルマ望遠鏡 国立天文台
http://alma.mtk.nao.ac.jp/j/aboutalma/more/system.html
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