当社は世界最大の単一開口電波望遠鏡FASTプロジェクトの研究開発に参加
北京の研究機関からの委託を受け、FCTELは世界最大の単一開口電波望遠鏡FASTプロジェクトに参加しました。多回転絶対値エンコーダーやロータリーエンコーダーなど、各種センサーの電気信号を電磁シールド室へ伝送するための高速光伝送変換装置を開発し、センサーの電気信号が電磁シールド室に入る前のフィルター処理によって信号が歪むという長年の課題を解決するとともに、従来の光電伝送方式において光電変換後の高速電気信号側で生じるクロック遅延の不整合にも対処しました。
FCTELは、光伝送分野で長年培ってきた研究開発の蓄積を生かし、中国の世界をリードする技術プロジェクトに微力ながら貢献できることを喜ばしく思います。
世界最大の単一開口電波望遠鏡「FAST」を解き明かす（ミステリアス・アース図解）
（ミステリアス・アース報道）南方都市報によると、「警告する。返信するな！返信するな！返信するな！そちらの方向には数千万もの恒星がある。返信すれば発信源の位置が特定され、あなたたちの惑星系は侵略され、あなたたちの世界は占領される！返信するな！返信するな！返信するな！」これは、SF小説『三体』で女性主人公が勤務する「紅岸基地」が、地球外文明から偶然受信した電波です。
実際に、宇宙からの電波を受信する現実版「紅岸基地」が、貴州省平塘県克度鎮金科村の「大窩凼」盆地で建設されています。世界最大の単一開口電波望遠鏡「天眼」（FAST）の建設プロジェクトは、現在、最終段階に入っています。完成すれば、この直径500メートルの球面電波望遠鏡の受信面積は、サッカー場30面分に相当します。
2015年12月26日、FASTの総工程師補佐兼反射面システム副総工程師である姜鵬氏は、北京天文館の第2015回一般向け科学講演会で、「天眼」の建設と、建設中に克服した関連技術上の課題について明らかにしました。報道によると、20世紀の人類による主要プロジェクト上位10件に選ばれた米国のアレシボ望遠鏡と比べ、「天眼」の総合性能は約10倍で、プロジェクト全体は2016年9月までに完成する見込みです。
300か所を超える窪地を探し出した末、最終的に貴州の「大窩凼」に決定
なぜ地質が複雑な貴州省に「天眼」が設置されたのか、不思議に思う人も多いでしょう。姜鵬氏によると、科学者たちは「天眼」に適した「眼窩」を見つけるために10年以上を費やしました。1993年の国際電波科学連合の会議で、中国を含む10か国の天文学者が、原始宇宙をさかのぼり、天文学の数々の難問に答えることを目指して、次世代の「巨大電波望遠鏡」を建設する構想を提案しました。
1995年末、電波「大型望遠鏡」中国推進委員会は、貴州のカルスト窪地を利用して球面反射鏡を建設する「カルスト計画」の構想を提案しました。選別を繰り返した末、平塘県克度鎮の「大窩凼」にたどり着きました。巨大な「天眼」に最も適した、深い「眼窩」です。2007年にはプロジェクトが正式に承認され、建設地が確定しました。2011年3月、貴州でFASTプロジェクトの建設が始まりました。
用地選定にこれほど長い時間がかかったのは、プロジェクトチームが工事の掘削量をいかに最小限に抑えるかを絶えず検討していたためです。技術者たちは衛星による探索で、全国の300か所を超える窪地を探し出しました。何度も選別した結果、貴州南東部の「大窩凼」は大きく円形で、FASTの形状に最もよく適合することが分かりました。また、この窪地の周辺は人口が少なく静かなため、FASTへの電磁干渉の低減にも適しています。これらすべてを考慮し、2007年に「眼窩」は最終的に「大窩凼」に決まりました。
複雑な地形に直径500メートルの「大鍋」を造る
一般的なパラボラ衛星アンテナと同様の動作原理で、FA STは、信号を反射する放物面と信号を受信する給電部という2つの主要部分から構成されます。放物面（通称「ディッシュ」）は、反射した信号を一点に集めます。この放物面は、形状としては巨大な「皿」のようなものです。ただし、そこに収まるのは「宇宙からの訪問者」が送ってきた信号です。
今回の建設地は、起伏の激しい山間部にあります。このような複雑な地形に直径500メートルの「大鍋」をどう造るかは、専門家たちを大いに悩ませました。各チームが提案や方策を出し合い、下部に剛性の高い支持材を密に配置する分離式の技術が提案されたこともありました。しかし、最終的には「ケーブルネット」方式が採用されました。
「張力ケーブルネット」方式によって、FASTは運用時に天体の回転に追従し、電波源を追跡・走査できます。科学者たちはまず6本の鋼製ケーブルを制御し、直径207メートル、地上140-180メートルの球冠面上で給電キャビンを移動させます。続いて、2,225基のアクチュエーターでケーブルネットを引き、ネット上の4,450枚の反射パネルを調整してFASTの焦点を合わせます。こうしてFASTは、人間の目のように自在に向きを変えることができます。反射パネルが電波信号を受けると、宇宙からの信号を給電キャビンに集めます。
反射パネルの組み立ては、すべて建設チームによる高所作業に頼っています。
昨年2月4日、FASTのケーブルネットの製造と設置が完了しました。現在、建設現場を訪れる機会があれば、6,000本を超える鋼製ケーブルで編まれた巨大な「漁網」を見ることができます。しかし姜鵬氏によると、この大きなネットは壮観に見えるものの、編み上げる作業は決して容易ではありませんでした。
ケーブルネット全体には合計2,225か所の節点があり、設置スパンは極めて大きいとされています。施工チームは高所作業方式で各ケーブルネットと反射パネルを吊り上げ、精密な位置測定を行ってから組み立てを完了します。面形状の制御誤差は、RMSで5mm以内に収めることが求められます。精度を確保するため、専門家たちは張力ケーブルを製造する恒温室を特別に設けました。
さらに大きな問題は、温度変化による鋼柱の変形です。温度差50°Cで、300ミリメートルの変化が生じます。姜鵬氏は、起伏のある地形に対応するため、反射面構造を支える鋼柱の高さはそれぞれ異なると説明しました。不均一な変形を防ぐため、リング梁と鋼柱の接続部には滑り支承が設けられています。これにより、支持リング梁は支柱上で自由に伸縮し、より均一に変形できます。
これは、変形のための緩衝余地を設けるようなもので、最大変形量は0.47メートルに達します。こうして「視神経」につながる「天眼」は、柔軟に焦点を調整できます。特筆すべきは、自重や風荷重による変形のため、従来の全可動式望遠鏡の最大口径は一般に100メートルにとどまることです。ケーブルネット構造を採用した口径500メートルの「天眼」は、100メートルの限界を容易に超え、巨大電波望遠鏡を建設する新たな方式を切り開くだけでなく、運用開始後には、世界最大の米国アレシボ天文台の3.25倍の感度を備えることになります。
「天眼」は完成後、地球外知的生命を探索します。
構想から現在まで、完成間近の「天眼」プロジェクトには20年以上の歳月がかかっています。運用開始後、どのような分野で能力を発揮するのでしょうか。中国科学院国家天文台の電波天文学部門の首席科学者、李菂氏はメディアの取材に対し、「天眼」の主な活躍の場は引き続き天文学であり、宇宙の遠方にある信号や物質の検出、宇宙の起源から星間物質の構造に至るテーマの探究、微弱なパルサーやその他の弱い電波源の探索、地球外知的生命の効率的な探索などに取り組むと述べました。
FASTプロジェクトの常務副責任者で国家天文台副台長の鄭暁年氏は、メディアの取材に対し、完成した「天眼」は、宇宙の中性水素のサーベイ、星間分子の検出、パルサーの観測、星間通信信号の探索を行う能力を備えると述べました。この鋭い巨大な目の助けを借りて、人類は地球外文明の探索において、さらに一歩前進しました。
昨年12月初め、フランス・トゥールーズのフランス国立科学研究センター（CNRS）および宇宙物理学・惑星学研究所の宇宙物理学者ピエリック・マルタン氏は、NASAのフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡を用い、地球から163,000光年離れた別の銀河で初のガンマ線パルサーを発見し、既知のガンマ線パルサーとして最も明るいものの記録を更新しました。
銀河系外のパルサーの検出は、FAST設立当初からの目標の一つです。中国科学院国家天文台の計算によると、「天眼」のケーブルネットはおよそ100万回を超える変形を繰り返し、耐用年数は30年です。李菂氏はFASTの将来の性能に強い自信を示し、「完成後、FASTは今後20年間、世界一流の地位を維持するでしょう」と述べています。
高さ100メートルの支持塔6基
6本の鋼製ケーブルを制御することで、地上140–180メートルの高さにある直径207メートルの球冠面上で給電キャビンを移動させます。
給電キャビンの重量は約30トンです（星形フレーム、スチュワートプラットフォーム、キャビンカバー、その他の機器を含む）。
2,225基のアクチュエーターでケーブルネットを引き、ネット上の4,450枚の反射パネルを動かして「天眼」の焦点を合わせます。
「天眼」は風雨や雷をどう防ぐのか
「『天眼』は貴州の『天坑』に建設されています。これほど巨大な構造物は、風雨や雷をどう防ぐのでしょうか？」
科学者たちは、用地選定の段階ですでに降雨の要因を考慮していました。姜鵬氏によると、「眼窩」の場所が貴州に決まったのは、形状が要件を満たしているという理由だけではありません。さらに複雑な作業はその後に続き、現地調査の段階で、プロジェクトチームは低地の詳細な地質評価を行う必要があります。
「窪地全体には少なくとも600か所の穴があり、まさに巨大なふるいのようになっています。」カルスト地形特有の発達した地下河川網と数多くの洞窟は、うれしい驚きをもたらしました。「天眼」に天然の排水機能を与えたのです。雨が降ると水はすぐに地下へ浸透し、望遠鏡の敷地内の冠水や電子機器の損傷を防ぎます。
昨年12月の時点で反射パネルの設置は半分以上が完了し、「天眼」の原型が姿を現し始めていました。巨大な谷を、鋼製ケーブルで編んだ半球状の「ネット」が埋め、そのおよそ半分が銀色の反射パネルで覆われており、四方の緑の山々を背景に、まばゆい鏡のように見えました。
姜鵬氏は、よく観察すると、一見滑らかに見えるアルミニウム合金製の能動反射パネルには、実際には無数の穴が開いていると指摘しました。この密集した小さな穴は風荷重を減らすために設けられており、風速が毎秒4-5メートルを超えた場合に「天眼」の検出作業に及ぶ影響を軽減します。
同時に、穴は光の透過性も高め、アンテナ面の植物の生育を可能にし、土壌侵食を防ぎます。姜鵬氏は「土壌と水の保全は非常に重要です。そうしなければ、土壌侵食が深刻になった際、雨が降ると低地が泥の池になってしまいます」と述べました。また、緑化は有益である一方、繁茂したつる植物が反射パネルに這い上がると、検出作業の妨げにもなると指摘しました。現在、プロジェクトチームは作業員とともに、伸び過ぎた雑草を定期的に除去しています。
さらに、貴州の厳しい地域気候も、多くの人が懸念する点です。「天眼」は豪雨、雪、ひょう、雷雨に耐えられるのでしょうか。これについて姜鵬氏は、「天眼」ではそれぞれに対応する準備を整えていると述べました。例えば落雷を防ぐため、すべての金属設備を一体として接地し、雷電流が速やかに流れ去るようにしています。「また、経験上、異常気象が占めるのは年間のごくわずかな期間（通常は10日程度）なので、影響はそれほど大きくありません。」
電波望遠鏡の過去と現在
天体望遠鏡は、小口径から大口径へ、短いものから長いものへと進化してきました。現在、天体望遠鏡の開発は主に2つの方向に重点が置かれています。一つは「宇宙へ進出する」こと、もう一つは「地上に展開する」ことです。地球大気の影響により、短波長の紫外線やX線の大部分は観測できないため、宇宙技術を使って望遠鏡を宇宙空間へ送り出すしかありません。その例として、ケプラー望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡があります。「地上に展開する」とは、現在中国で建設中の電波望遠鏡FASTのような地上望遠鏡を指します。
天体望遠鏡の一種である電波望遠鏡の発展も、人類による宇宙探査の進歩を示しています。1873年にマクスウェルの著書『電気磁気論』が出版され、電磁場の理論が体系的かつ包括的に説明されて初めて、人々は気付きました。光も電磁波の一種であり、広大な電磁波スペクトルの中で、可視光が占めるのはごく一部にすぎないのです。
20世紀に入ると、科学者たちは地球の電離層の高さを測定する中で、波長が60メートルより短い電磁波は、電離層を通過する際にほとんど戻ってこないことを発見しました。この現象は研究者たちの想像力を刺激しました。波長が60メートルより短い電磁波が、地球から妨げられることなく宇宙へ放射されるのであれば、逆に、宇宙からの同様の電磁波も大気を透過して地球に到達できるのではないか、と考えたのです。
こうして、人類による宇宙電波観測の幕が開きました。1931年、米国のベル研究所がアンテナアレイを使い、天の川銀河の中心からの電波を受信しました。これを機に、電波天文学が正式に誕生しました。その後の数十年間に、パルサー、クエーサー、宇宙マイクロ波背景放射、星間有機分子が次々と「姿を現しました」。
誕生から80年以上の間に、電波望遠鏡そのものも急速な発展を遂げてきました。1955年、英国はマンチェスターのジョドレルバンク天文台に、直径76メートルの可動式ラヴェル電波望遠鏡を建設しました。1972年には、当時世界最大の全可動式電波望遠鏡であるドイツのボン望遠鏡が完成し、そのパラボラアンテナの直径は100メートルに達しました。
1963年、中米のプエルトリコ島にアレシボ電波望遠鏡が完成しました。当初の直径は305メートルで、その後350メートルに拡張されました。老朽化したアレシボは、これまでに建設された世界最大の単一開口電波望遠鏡の地位を今なお保っています。
1974年、アレシボ望遠鏡は改修の完了を記念し、地球から25,000光年離れた球状星団M13に向けて、1,679桁の2進数で構成された信号を送信しました。この信号はアレシボ・メッセージとして知られています。その図柄の下部には、人類が電波信号をどのように受信・送信するかを示す「ソーラークッカー」の図も描かれていました。
現在、中国で進行中の「天眼」FASTプロジェクトのほかに、正式名称を「スクエア・キロメートル・アレイ電波望遠鏡」というSKAプロジェクトが、2年後に着工する見込みです。北京大学天文学科を卒業し、現在はオーストラリア連邦科学産業研究機構の天文・宇宙科学研究所（CASS）で博士研究員として研究を行っている若手天文学者の戴石氏は、SKAプロジェクトのメンバーです。
同氏によると、SKAはオーストラリアと南アフリカに建設される数千基の小型アンテナで構成され、2030年頃に運用を開始する予定で、人類史上最大の望遠鏡になると期待されています。
