天文学者に、天文学の中で最もエキサイティングな写真を 1 つ選ぶように頼んだ場合、私たちの多くは、おなじみのオレンジ色のリングを指します。一見すると大したものには見えないかもしれません — 底がわずかに膨らんでいて、先月の時点で曲線が縞模様になっているぼんやりとした光るドーナツ — しかし実際には、この気取らない円は、人類がブラック ホールを初めて垣間見たものです。リアリズムを模倣するのではなく、電波放射の強度を示すために選択されました。
ワシントン D.C. に立ってロサンゼルスの四半期の日付を読むような非常に鮮明な写真に捉えられたこの画像は、銀河の中心にある 5500 万個の光の中心にある、私たち自身の太陽の 65 億倍の質量を持つブラック ホールを明らかにしました。 -何年も離れています。写真の細部から、ブラック ホールが時計回りに回転し、毎年地球の何百倍もの質量を消費していることが明らかになりました。新たに切り出された線でさえ、強力な磁場の明らかな特徴を表しています.
すべての物理学において最も神秘的な物体の 1 つであるこの前例のない画像は、電波天文学によって可能になった一連の発見の最新のものです。有名な画像に含まれる科学は驚くべきものかもしれませんが、それを可能にした科学はそれ自体が印象的であり、地球全体で協力して研究している研究者が宇宙を研究するためのまったく新しい方法を可能にしています.
電波領域は、光波のエネルギーが低い電磁スペクトルの極限に位置します。荷電粒子の加速によって生成された最初の検出された電波は、1800 年代後半に人工的に生成されました。簡単に作ることができ、波長が長いため摂動なしで長距離を移動できるため、電波はすぐに優れた通信ツールとして認識されました。 20 世紀初頭までに、物理学者は波が雷のような自然現象によって生成される可能性があることを知っていましたが、無線通信技術の明瞭さ、パワー、範囲を改善するために、これらの厄介な「ノイズ」源を避けたいと考えていました.
カール ヤンスキーは、1931 年に初めて偶然に「スター ノイズ」を発見したとき、まさにこの目標に取り組んでいました。ベル研究所の物理学者およびエンジニアとして、彼はモデル T タイヤのセットに取り付けられた直径 100 フィート、高さ 20 フィートの巨大なアンテナを設計しました。そのため、回転して任意の方向を指すことができます。彼の同僚は、その仕掛けに「ジャンスキーのメリーゴーランド」というニックネームを付けました。
Jansky がアンテナを使い始めたとき、彼は自分のデータにかすかな、しかし絶え間ないヒスノイズがあることに気付きました。メリーゴーランドの機動性を利用して、彼は発生源を追跡し、最終的にその場所を特定しました。アンテナは近くの雷雨や地球に向かう放射線の漂遊源を拾っていませんでした — 天の川の中心から来るエネルギーを検出していました.
Jansky の発見は、ほとんど天文学コミュニティによる穏やかな好奇心で満たされました。大恐慌の真っ只中、天文台は限られた資金を投機的な新技術に投資することを望んでいませんでした。しかし、Grote Reber という名前の若い科学者兼エンジニアは、Jansky の発見が魅力的であることに気づき、宇宙からの無線信号の研究に彼のキャリアを捧げることを誓いました。ベル研究所での仕事を断られた後、彼はイリノイ州の裏庭に独自の電波望遠鏡を作ることに決めました。その上に電波受信機が取り付けられた放物線の 31 フィートの皿です。
彼の努力は大成功を収め、ジャンスキーの観測を再現し、最初の空の電波地図を作成しました。彼は、後に遠方の銀河と最近の超新星によって残された残骸として識別される明るい電波放射のスポットを発見しました。 1940 年までに、Reber は The Astrophysical Journal に掲載していました。 、そして彼の仕事は、天文学界の間で電波観測へのより広い関心の種をまきました.
これらのより長い波長を観測することで、天文学者は宇宙へのまったく新しい窓を手に入れ、かすかな遠くの熱源の輝きによって生成される電波放射と、荷電粒子を極端かつ予想外の方法で加速できるエキゾチックな物理学を検出できるようになりました。電波望遠鏡は、パルサーとして知られる死んだ大質量星の急速に回転するコンパクトな残骸、宇宙マイクロ波背景放射 (ビッグバン自体の指紋を含む光)、および銀河の中心にある超大質量ブラック ホールの最初の兆候を最初に発見しました。私たち自身のもの — Jansky の最初の発見の疑いのある情報源.これらの現象は、可視光だけを見ているとまったく見えません。
電波天文学の科学はスリル満点ですが、覗き込んだ鏡張りの光沢のある望遠鏡に慣れている人にとって、望遠鏡は明らかに奇妙に見えます。しかし、電波光の長い波長では、電波望遠鏡の皿も光沢があり、望遠鏡の鏡から接眼レンズに可視光が反射するのと同じように、空からの電波を受信機に反射します。電波望遠鏡も、可視光望遠鏡と同じ基本原則に従います。最も効果的な望遠鏡は、(競合する光源を排除するために) どこか暗くする必要があり、大きいほど良いです。
望遠鏡の領域が広いと、より多くの光を集めてより暗い物体を観察できますが (暗い部屋で瞳孔が開くことを考えてください)、望遠鏡の直径が大きいと、より鮮明な写真を撮ることができます (スポーツ写真家が鮮明なアクションをキャプチャするために使用する巨大な望遠レンズを考えてみてください)。スタジアムの傍観者の写真)。この鮮明さは、遠く離れた銀河の個々の星を特定したり、星雲の正確な形状をマッピングしたりできるため、天文学の重要な目標であることが多く、電波天文学の長波長は大きな望遠鏡を構築する別の方法を提供します。電波望遠鏡は、干渉計として知られる技術のおかげで、信じられないほど大きな有効直径を達成できます。これは、小さな個々の皿の配列からのデータを組み合わせて、単一の鮮明な画像を生成する 1 つの巨大な望遠鏡として機能させることを可能にします。干渉計の科学は困難ですが、信じられないほどの結果を生み出します。イベント ホライズン テレスコープが世界中の 8 つの電波観測所を 1 つの惑星サイズの望遠鏡に融合し、有名なブラック ホールの写真を撮影することを可能にしたのは、まさにこの技術でした。
したがって、電波望遠鏡では明らかに「大きい」ことが可能です。 「暗い」はどうですか？これは、はるかに大きな課題をもたらします。皮肉なことに、ヤンスキーの当初の目標である電波の自然発生源を除去し、通信技術に道を譲るという目標は、現代のエレクトロニクスの時代に宇宙を研究しようとしている電波天文学者にとって、今や逆転しています。もしあなたの目で無線光を見ることができたら、あなたの周りの部屋は無線信号のまばゆいほどのもつれになります:Wi-Fi ネットワークの雲、近くの携帯電話からの散発的な光のバースト、スパークプラグによって生成された小さな稲妻からのまばたきさえも。
この混乱が宇宙データを圧倒するのを防ぐ方法の 1 つは、ウェスト バージニア州のグリーン バンク天文台が行っているように、近くの人工無線信号を制限することです。この施設は、Wi-Fi、携帯電話、電子レンジが禁止され、すべての車両がディーゼル エンジンで走行するなど、ラジオ ノイズを最小限に抑えるためのテクノロジーを制限する国立ラジオ クワイエット ゾーンの奥深くにあります。 (とはいえ、ここの研究者たちはかつて、何よりもムササビの騒音で観察時間を失っていました。近くの保護研究でネズミに GPS 首輪を取り付けて移動の習性を調べた後です。) イベント ホライズン テレスコープを構成する個々の観測所は、地球上に散らばっていますが、南極からアタカマ砂漠、ハワイで最も高い山まで、それぞれの場所は明らかに人里離れており、人類の絶え間ない侵入ノイズから可能な限り隔離されています.
新しい技術がラジオ ノイズの拡散を増大させる可能性があることは苛立たしいことですが、それはまた、興味をそそる可能性を提起します。私たちはいつか、自分で作ったものではない人工的な電波を観測するのではないでしょうか?
電波天文学は、長い間、他の世界からの信号を検索する優れた方法と考えられてきました。実際、最初の電波天文学実験は、ヤンスキーの前に、火星が約 1 世紀ぶりに地球に最接近した 1924 年 8 月までさかのぼることができます。米国の天文学者は、近隣の火星人からの信号が通過することを期待して、定期的にラジオの使用をやめるよう人々に奨励する「National Radio Silence Day」を宣伝しました。米国海軍天文台は、潜在的な火星のメッセージを受信するために飛行船に無線受信機を搭載し、翻訳が必要な場合に備えて暗号学者を配置しました。
今日、地球外知的生命体 (SETI) の探索は、真剣な科学的試みです。フランク・ドレイクやジル・ターターなどの著名な科学者が先頭に立ち、苦労して手に入れたカリフォルニアのアレン望遠鏡アレイなどの施設を使用する SETI の研究者は、電波体制によって提供される発見のエキサイティングな可能性を受け入れています。結局のところ、ここ地球上で長距離通信に使用されているのと同じ電波が外にも伝わり、私たちの技術力の明らかな兆候を宇宙に放送しています.遠く離れた文明が同様の信号を送信したり、意図的にメッセージを送信しようとしたりする可能性は十分にあります。それらは私たちと同じ電磁スペクトルを扱っているからです.
明らかに、電波天文学は計り知れない可能性を私たちに提供してくれます。遠く離れたブラック ホールの目に見えないものを見る能力、エキサイティングな新しい物理学を解明する能力、さらには地球外知的生命体の最初の証拠を発見する可能性さえあります。初心者にはおかしく見えるかもしれませんが、電波望遠鏡は天文学のかけがえのないツールであり、私たちが探検する宇宙の新しい部分を明らかにし続けるものです。
