電波天文学の復活

2018年8月22日午後1時8分

全米科学財団（NSF）は過去10年間で、主要電波望遠鏡3基の建設を中止しました。今後はどうなるのでしょうか？

この画像には電気機器、アンテナ、望遠鏡、電波望遠鏡、建設用クレーンが含まれている可能性があります。

1930年代初頭、ベル研究所は大西洋横断無線通信の実験を行っていました。通信の巨人ベル研究所は、海を越えて聞こえるかもしれない雑音の原因を解明しようと、カール・ジャンスキーというエンジニアにその発生源の調査を依頼しました。彼は3つの原因を発見しました。近くの雷雨、遠くの雷雨、そして…どこからともなく聞こえる一定のヒスノイズです。

ジャンスキーは、倒れた足場のような原始的なアンテナを使って1年間ヒスノイズを研究し、その発生源を公表した。そのノイズは銀河そのものから来ているのだ。「遥か彼方の宇宙から聞こえてくる電波だ」と、 1933年5月のニューヨーク・タイムズ紙は報じた。「3万光年も旅してきたラジエーターから立ち上る蒸気のような音だ」。ジャンスキーは、意図せずして電波天文学という分野を生み出したのである。

現在、ジャンスキー望遠鏡のレプリカが、米国にある4つの世界クラスの公共電波望遠鏡の一つであるグリーンバンク天文台の前の芝生に設置されています。これは、超大型干渉電波干渉計（VLA）、アレシボ天文台、そして超長基線干渉計（VLBA）と共に、第二次世界大戦後に本格的に始まったこの分野への連邦政府の投資が好調だった時代の遺産です。

しかし、ここ数年、全米科学財団（NSF）はこれらの装置のうち3つから撤退しました。2012年には、NSFがグリーンバンク（完成からわずか11年）と、約960マイル離れた場所から1セント硬貨を分離できるVLBAへの資金提供を削減するよう勧告するレビューを発表しました。3年後、NSFはアレシボ天文台に対し、「NSFからの資金提供を大幅に削減する」運用提案を求めました。

今、これらの望遠鏡――宇宙の近隣を結ぶガスの糸を描き、まだ恒星ではないものの周囲を覆う塵の層を貫通し、大きく歪んだ時空を探る装置――の将来が疑問視されている。「電波天文学は、私たちが研究できる天体物理学の中でも、実にユニークな分野です」と、国立電波天文台の天文学者ブライアン・ケント氏は言う。

その取り組みはまだまだ続く。しかし、米国における純粋科学への支援は、連邦政府機関の好意と年間予算に左右されるため、常に複雑だ。資金提供者が新型望遠鏡の建設と運用、そして実際にそれらの装置を使用する天文学者への助成金のバランスを取ろうとする中で、何かが犠牲になるのは避けられない。そして、それが何であれ、科学は以前と同じではなくなるだろう。

今日では約1億ドルから10億ドル以上と費用がかかる巨大な電波望遠鏡の建設は、実は費用分担策として始まりました。1950年代、黎明期の電波天文学コミュニティは、大学には独自の望遠鏡を建設する余裕がないことに気づきました。少なくとも、この分野を前進させるのに十分な品質の望遠鏡は無理でした。そこで1956年、アメリカ合衆国は国立電波天文台を設立し、グリーンバンクに次々と望遠鏡を建設し、全国の科学者に貸し出しました。プエルトリコでは、1960年代に口径300メートルのアレシボ天文台の建設が始まり、後に国立天文・電離層センターとなりました。1970年代には、NRAOはニューメキシコ州で超大型干渉電波望遠鏡（VLA）の建設を開始しました。

NRAOは最近、チリのアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）の建設に協力しました。建設費は10億ドルを超え、NSFは約5億ドル、さらに年間約4000万ドルの運用費を負担しています。しかし、その価値はあります。NSF天文学部門長のリチャード・グリーン氏によると、米国の天文学では、ALMAのように多数の小型アンテナで構成された干渉計、つまり望遠鏡の方が、大型の単一アンテナ望遠鏡よりも科学者の間で人気が高いそうです。「私たちはコミュニティの関心に真摯に応えようと努めています」と彼は言います。干渉計は解像度が高く、より狭い範囲をより鮮明に撮影できるため、同じ天体現象の多くを調査できます。

巨大な単一アンテナは、天文学者、特に空の広大なガス領域の地図作成、パルサーの発見と監視、そして感度の低い干渉計では捉えられない微弱な電波の捕捉を目指す天文学者たちの関心を依然として惹きつけている。しかし、予算削減の圧力がかかった際には、アレシボとグリーンバンクの2つの巨大単一アンテナが廃止されることとなった。

現在、NSFがグリーンバンクとアレシボ天文台への資金提供を徐々に削減しているため、両天文台は主に民間との提携による資金援助を他から募らざるを得なくなっている。地球外知的生命体探査（SETI）プロジェクトと、重力波を探索するパルサー天文学者の共同研究が、グリーンバンク天文台の維持に役立っている。ロシアは科学探査機との通信に資金を提供している。また、VLBAは地球の傾きの観測などのために海軍から資金を得ている。

これは別の種類の費用分担であり、NSFが古い望遠鏡を運用し続けるために活用できるビジネスモデルです。NSFは今のところ、望遠鏡の運用時間の一部、つまり「オープンスカイ」と呼ばれる、誰のアイデアでも自由に使える時間の一部を資金提供しています。残りの時間は、望遠鏡は顧客の気まぐれに左右されます。NSFのNRAOプログラムディレクター、ジョセフ・ペス氏は、それが現状のトレードオフだと語ります（NSFは2016年にグリーンバンクとVLBAをNRAOから分離しました）。「施設の稼働を維持できています」と彼は言います。「これはこの問題に対する良い解決策です。」

そして理想的には、アレイベースの望遠鏡など、天文学者が興味を持っている他のリソースを構築する余地を残すこともできるだろう。

新たな施設が建設される可能性が高まっています。次世代VLA（VLA自体はアップグレードされていますが、40年前のものです）。現在構想されているように、次世代VLAの多数のアンテナは、VLAの10倍の感度と解像度を備え、より広い周波数範囲に対応します。主アレイは、ニューメキシコ州、テキサス州、アリゾナ州、メキシコにまたがる214基の18メートルアンテナで構成されます。19基の小型アンテナは中心部近くに設置され、30基の18メートルアンテナが大陸全体に広がります。

ngVLAのプロジェクト科学者であるエリック・マーフィー氏によると、この仮想観測装置の導入により、天文学者は太陽系が合体していく過程の高解像度動画を撮影できるようになるという。これはこれまで、生まれたばかりの惑星を取り巻く塵に隠れ、電波画像も十分に鮮明ではなかったため、不可能だったことだ。最大6億5000万光年離れた場所で、重力波現象を引き起こす衝突を捉えることができる。また、形成中の恒星系において、生命誕生の源となる分子をより多く発見できる可能性がある。

しかし、条件文が鍵となる。実現するには、天文学者が10年ごとに策定する優先計画「10年サーベイ」において、委員会が2020年に重要と判断する必要がある。もし高い評価を得て資金が確保できれば、建設は2025年頃に開始されることになる。

しかし、費用は高額だ。建設費だけで15億ドル（米国が半分を負担する）、さらに年間7500万ドルの運営費がかかる。比較対象として、グリーンバンクは現在の価値で建設費約1億3500万ドル、運営費約1000万ドルだ。「明日には全部中止になるかもしれないが、今は楽しい」とマーフィー氏は言う。

もし計画が頓挫した場合、チームは計画を縮小するか、VLAの運用を継続する可能性があると彼は言う。他の施設では、電波天文学コミュニティのメンバーが古い望遠鏡を再び新しくする作業に取り組んでいる。彼らはアレシボ望遠鏡の視野を一変させる新型受信機を開発しており、グリーンバンクの共同研究チームは「Argus+」と呼ばれる受信機の開発に取り組んでいる。この受信機は、銀河内の分子や新しい星が形成されつつある場所の高速で詳細な地図を作成するなど、様々な用途に活用されている。2011年、VLAは9400万ドルを投じて電子機器をアップグレードし、「拡張型超大型干渉計（Expanded Very Large Array）」という新しい名前が付けられたが、これは誰も使っていない。「しかし、40年もののアンテナが50年も使い続けると、状況はより困難になります」とマーフィーは言う。

仮に将来、アメリカが築50年のVLA（そしてグリーンバンク、VLBA、アレシボの3つの望遠鏡が一部または全部民営化された状態）を保有するとしたら、アメリカの電波天文学者は自国の裏庭からできることが減ることになるだろう。「グリーンバンクもアレシボもVLAも、たった一つしかありません」とケントは言う。「これらの施設が連携して機能しなければ、科学者、技術者、教育者が必要とするツールは手に入らないのです。」

しかし、宇宙の権威の中では常に気骨のある、反骨精神にあふれた存在である電波天文学者たちは、望遠鏡を開放し、稼働させ、最新の状態に保つ方法をこれからも模索し続けるでしょう。それは彼らの科学的遺産の一部なのです。

カール・ジャンスキーが携帯電話プロジェクトを終えた後、ベルは天文学にそれほど関心を持たなくなりました。研究所はジャンスキーを他のプロジェクトに異動させました。しかし、イリノイ州ウィートンで、グロート・レーバーという男が天文学に夢中になったのです。

レーバーは自宅の裏庭で独自の電波望遠鏡を作り始めた。1937年に完成したそのアンテナは直径31フィート（約9.5メートル）で、地元の金物店で入手できる板材の長さから決められた。彼は銀河からの電波放射の地図を初めて発表した。それは空の頭足動物のような等高線図だった。約10年間、レーバーは世界で唯一の現役の電波天文学者だった。

1950年代に国立電波天文台が発足したとき、同局はレーバーの望遠鏡を購入し、ジャンスキーの複製の真向かいのグリーンバンクに移設した。これは、体制側の逆境や曖昧な態度に直面した際に、互いの科学を支援し合うことを思い出させるものだ。

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