電波が伝える宇宙

夜空の星の光だけでは、宇宙の姿は見尽くせません。星と星の間に広がる冷たいガスや塵、そこから新しい星が生まれる場所、晩年の星が放出した物質。電波は、可視光では捉えにくいこうした世界を探る手がかりになります。一方で、磁場の中を光に近い速さで運動する電子も電波を放ちます。同じ電波の空に、冷たい物質と高エネルギー現象が共に現れるのです。

電波観測の面白さは、見える対象が増えることだけではありません。電磁波を振動する信号として受け、その位相、つまり波の振動のタイミングを保ちながら処理できることも大きな特徴です。離れた望遠鏡の信号を組み合わせる干渉計や、周波数を細かく分ける分光観測は、この性質と深く結びついています。

「測る」とは何をすることか

講義は、明るさの定義から始まります。ある方向の明るさを表す放射強度と、天体の広がりにわたって足し合わせたフラックスは、どう違うのでしょうか。吸収などのない空間では放射強度は距離によらず保たれますが、天体全体から届くフラックスは距離とともに小さくなります。受け取るエネルギーと、天体が空に占める広がりを区別し、定義からその理由を確かめます。

この区別は、アンテナが測る量を理解する土台になります。電波の強さを温度の単位で表す「輝度温度」は、いつ物質の温度と一致するのか。天体がアンテナの視野であるビームより小さいと、測定値はどう変わるのか。熱平衡や近似の条件を確認し、天体の性質と装置の応答を分けて考えます。

開口の各部分に届く波の重ね合わせを考え、回折と角分解能を結びつけます。さらに、受信機で高い周波数の信号を扱いやすい低い周波数へ変換する仕組みをたどり、宇宙から届いた波が測定値になるまでを追います。

雑音の中から、スペクトルと画像へ

かすかな電波を測るとき、雑音は避けて通れません。「雑音を半分にするには、観測時間を何倍にすればよいか」。受信系が安定し、帯域幅が同じという理想的な条件では、答えは4倍です。雑音が積分時間の平方根に反比例して減る放射計方程式を、熱雑音の統計と結びつけて学びます。受信機の増幅率が揺らぐ場合も扱い、長く測るだけでは解決しない限界や、測定値を天体の電波の強さに直す較正へと進みます。

信号処理を貫くのがフーリエ変換です。一つの信号を時間をずらした自分自身と比べる自己相関からは、周波数ごとの強さを表すスペクトルが得られます。では、二つのアンテナの信号を比べたらどうなるでしょうか。相互相関から得る「ビジビリティ」は、空の明るさの分布を、空間的な波の成分として測った量です。アンテナの配置や地球の自転を利用してuv平面上にその成分を集め、フーリエ変換で画像へ結びつける。これが開口合成の考え方です。

ただし、観測で集められる成分には限りがあり、そのまま画像にすると、天体の周囲に副次的な模様が現れます。CLEANは、この応答を考慮して天体像を推定する画像復元の方法です。未測定の情報まで完全に取り戻せるわけではなく、復元する範囲の選び方によっては実在しない構造を生むこともあります。

画像を作る前の較正も欠かせません。受信系の周波数応答や、大気・装置によって時間とともに変わる信号の振幅と位相を補正し、電波の強さの基準を定めます。天体自身の信号を使う自己較正にも、十分な信号強度と適切な天体像のモデルが必要です。観測画像は、測定データからこうした過程を経て構築したものです。その前提と限界を理解することが、画像に見える構造を科学的に解釈する土台になります。

観測の原理から、天体の物理へ

続いて、天体から電波が放射される仕組みを扱います。塵の熱放射や電子のシンクロトロン放射のような連続波と、中性水素の21 cm線や分子の回転運動に由来するスペクトル線。放射の違いを理解すると、周波数ごとの強さから、ガスの温度や量、運動を読み解く道筋が見えてきます。

特定の条件で電波が増幅される天体メーザーでは、エネルギー準位の粒子数が通常とは逆転する「反転分布」から考えます。その強い放射は、星形成領域や進化した星の周囲を調べ、精密な位置測定によって天体までの距離や銀河系の構造を探る手段にもなります。分子スペクトル線とメーザーは私自身の研究にもつながる題材ですが、講義では、その応用を支える原理からたどることを大切にしています。

式の手前にある問いを大切に

スライドには、導出の途中で立ち止まる問いを随所に置いています。単純化した開口から計算した分解能がよすぎるなら、どの仮定を見直すべきか。アンテナの信号から画像に至る理論の道筋を、どう説明できるか。答えを知ることに加え、前提を確かめ、自分で関係を導けることを重視しています。

数式は、観測装置と宇宙を結ぶ言葉です。何を表し、どの条件で成り立ち、どこまで使えるのかを考える。その積み重ねによって、見慣れない装置や新しい観測結果に出会ったときにも、基礎に戻って理解する力を育てたいと考えています。