南米チリ、アンデス山脈のアタカマ砂漠にある海抜5000mの高地に、スーパー電波望遠鏡「アルマ(ALMA)」が建設された。全66台のパラボラアンテナで構成される世界最高の巨大電波望遠鏡(干渉計)である。アルマの開発プロジェクトを1998年から取材し続けたノンフィクション作家の山根一眞氏は、2017年8月に「スーパー望遠鏡『アルマ』の創造者たち」(日経BPコンサルティング)を上梓した。今回は、天体からの極めて微弱な電波を受信する「アンテナ」の設計でポイントだった熱変形への対応を、設計を担当した三菱電機などへの取材を通じて解説してもらう。

 66台のパラボラアンテナからなる電波望遠鏡(干渉計)「アルマ」は、極めて遠方の、極めて微弱な天体からの電波を受信する。ターゲットを絞り込んで捕らえる解像度(空間分解能)は0.01秒角。東京から大阪にある1円玉が見えるに匹敵する。人の眼に換算すると「視力6000」だ。

日本の「アルマ」アンテナは口径12m×4台と7m×12台の合計16台。欧米の50台(すべて口径12m)は狙った天体をシャープにとらえるが、日本の16台が取得した観測データを加えることで天体の周囲が分かり、狙った天体の画像がより鮮明になる。
写真は日本の7mアンテナ(写真:山根一眞)
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 天体から届く電波の強さがどれほど微弱かについて、国立天文台の「アルマ」担当天文学者はこんな比喩で説明する。「もし月に携帯電話を置き、その電波を地球の電波望遠鏡で受信した場合、それは宇宙最強の電波になるんです」。しかも「アルマ」の究極の狙いは、極めて波長が短いサブミリ波(=波長1mm以下、周波数300GHz以上)の電波を受信することにある。波長が短くなればなるほど、パラボラ面はより高い精度が求められる。

 そのため、重量およそ100tのパラボラアンテナは、全体を常に精度誤差、平均20μmに維持しなくてはならなかった。

日本の12mアンテナと7mアンテナはサイズが異なるだけでなく、パラボラ面を支える部分の素材や構造も大きく異なる。先に製造した12mアンテナのコスト増から、後に製造した7mアンテナはコスト削減が課題だったからだ。
(資料提供:三菱電機)
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 だからといって、観測時のアンテナはじっと固定しておけるわけではない。目標天体からの電波は極めて弱いため、十分な信号を得るには何度も重ねて受信する必要がある。そのため、アンテナはせわしく首を振り続けている。観測する天体、標的位置を常に“超正確”に合わせるために、「基準星」を利用するためだ。

 長年に渡って「アルマ」に携わってきた斎藤正雄さん(現・国立天文台TMT推進室教授)によれば、代表的な観測時の首振りのプロセスは以下だ。

  • (1)基準星の観測時間=30秒
  • (2)基準星から観測天体へ首を振る移動時間=20秒
  • (3)観測天体の観測(電波の受信)時間=300秒(5分)

 2013年3月、チリ共和国、アンデス山脈の標高2900mにある「アルマ・山麓施設」に設営された大きな仮設テント内で「アルマ」の開所式が催された。同国のピニェラ大統領(当時)の「スイッチオン」という司令で、大型スクリーンに、標高5000mにずらりと並んだ60台以上のアンテナ(欧州の数台は未完成だった)が一斉に首を振り、天の川銀河の中心に向けて停止する様子が投影された。

2013年3月13日、「アルマ」の山麓施設(標高2900m)で開催された開所式では、大型スクリーンに山頂に設置された60台以上のアンテナ群がライブ上映された。「シネマパラダイス」の音楽に合わせ、アンテナは一斉に天の川銀河の中心に向いた。
(写真:山根一眞)
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 開所式に参列した私は、その動きを見てアンテナの首振りの速さに驚いた。しかし、あれほどせわしい動きを繰り返しても、各アンテナは精度誤差平均20μmを維持し続けるよう作られたのだ。

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