「チャイナスカイアイ」6周年！このユニークな球面電波望遠鏡の成果は何でしょうか?

2016年9月25日、「中国天眼」として知られる口径500メートル球面電波望遠鏡（FAST）が完成し、運用を開始しました。今年7月現在、中国のスカイアイは660個以上の新しいパルサーを発見した。 「中国天眼」が6周年を迎えるにあたり、FASTのチーフエンジニアである江鵬氏に話を聞き、FASTの建設当初の意図、FASTがこれまでに達成した科学研究成果、そしてFASTが将来私たちに何をもたらす可能性があるのか​​を学びましょう。

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FAST 観測とは何ですか?

FAST は電波帯域で宇宙を観測する電波望遠鏡です。電波帯の発見は、非常に偶然の出来事から始まりました。電波天文学の研究により、パルサー、星間分子、マイクロ波背景放射、クエーサーという 4 つの非常に重要な新しい発見が可能になりました。その中で、パルサーの観測は中性子星と重力波の発見を含めて2つのノーベル賞を受賞しました。

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FAST誕生の「原動力」とは何でしょうか？

より詳細な天文データを取得するには、より広い受信エリアを持つ望遠鏡が必要です。これは光学望遠鏡と電波望遠鏡の両方に当てはまります。受信エリアが広いほど、暗信号や微弱信号の検出能力が強くなり、観測サンプル数が増え、不思議な天文現象を発見する確率が上がるとともに、より遠くの天文現象も観測できるようになります。一般的に言えば、より遠い天文現象はより古い天文現象を表します。たとえば、私たちは 8 分前に太陽を見ました。数十万年前または数十万年前には天の川の端を見ました。そして、数万年前には近くの銀河 M31 を見ました。私たちが見たクエーサーは100億年以上前のものかもしれない。では、もっと昔の宇宙現象を見たい場合にはどうすればいいのでしょうか?そうなれば、私たちはさらに先を見据えるしかありません。

したがって、より大きな望遠鏡は宇宙の歴史をたどる上で大きな助けとなり、より大きな口径の望遠鏡を建造することは科学者の終わりのない追求です。それは過去もそうであったし、現在もそうであり、そして将来もそうなるでしょう。 FAST を構築する原動力は、より遠くまで見通せるようになり、宇宙のより遠い歴史を遡れるようになることです。

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FASTの特徴は何ですか?

FAST は球面望遠鏡であり、従来の望遠鏡とは異なります。従来の望遠鏡はすべてパラボラアンテナを使用しています。受信機を放物線の焦点に配置することで信号を収集できます。では、球と放物線の違いは何でしょうか?どれくらい離れるのでしょうか？これは多くの人が考えたことのない問題です。 1990年代、中国の天文学者ナン・レンドン氏とその同僚は、適切な交差比が選択されている限り、300メートルの放物線と球面の偏差はわずか0.47メートル、つまり約1.5‰になると計算しました。これには多くの人が驚きました。この0.47メートルの偏差がFAST設立の礎となりました。

このコンセプトでは、まず基準球体を構築し、次に反射面の形状をわずかに変更し（0.47 メートル）、この球体上に 300 メートルの放物線を形成できます。空のさまざまな領域を観測する場合、さまざまな位置に放物面を形成するだけで済みます。残る問題は、受信機を正しい姿勢で交差点の位置に配置する方法です。

コンセプトはシンプルですが、完成するまでに約10年かかりました。この放物線はどのように変形するのでしょうか?変形にはどのようなキャリアが使用されますか?受信機は交差点にどのように制御されますか?これは私たちがまだ調査中のものです。最後に、FAST システムは次のようになります。約 10,000 本の鋼鉄ケーブルで形成されたケーブル ネットが、直径 500 メートルのリング ビームに吊り下げられます。このケーブルネットには2,000を超えるメインケーブルポイントがあります。各メインケーブルノードには、地上のアクチュエータに固定された制御ケーブルが装備されています。科学者はアクチュエーター制御を通じて反射面の形状を変更し、局所的に300メートルの放物線を形成することができる。 30トンの給餌キャビンを制御するために6つの投げ縄が駆動しており、キャビン内には交差点位置を制御するための受信機が設置されています。同時に、反射面の形状や受信機の位置・姿勢を測定するトータルステーションを20台設置し、受信機の姿勢制御を確実に行いました。最終的に、極めて複雑な望遠鏡システム FAST が形成されました。

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FAST の大きさはどれくらいですか?

FAST の口径が 500 メートルであることは誰もが知っていますが、正確にはどれくらいの大きさなのでしょうか? FAST を実際に見たことのない人のために、「500 メートル口径」という概念をどうやって定量化できるでしょうか?同僚が次のような発言を提案しました。「FAST は水が入った鍋として想像できます。」世界中の70億人それぞれがこのポットからミネラルウォーターを4本得ることができます。

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FAST を構築する上での難しさは何ですか?

量的変化が一定レベルまで蓄積されると、質的変化が生じ、もたらされる工学的困難さも極めて大きくなります。 FAST のケーブル ネットの構築は困難です。

球面を支えるケーブルネットは、風船のように変形可能なキャリアであり、「ケーブル」は輪ゴムやバネとして使用する必要があります。ゴムバンドは元の長さの1倍、さらには3倍まで伸ばすことができますが、スチールケーブルの最大変形量はわずか3‰～4‰と非常に小さいです。

FAST の放物線の一部は球面の下にあり、一部は球面の上にあります。つまり、放物線を繋ぐケーブルネットを下に引っ張り、上に緩める必要があります。しかし、鋼鉄ケーブルの弾性変形はわずか3‰～4‰です。下方向に引っ張っても切れず、上方向に緩めても緩みません。 4‰の変形範囲内で「下に引っ張る」と「上に緩める」両方の機能を実現する必要があり、両側にほとんど余裕がないほどちょうど良くなければなりません。

それだけでなく、スチールケーブルの加工精度も非常に重要です。各インデックスが 1 ミリメートル長くなると仮定すると、最終的にケーブルはそれ以上緩むことができなくなります。また、温度変化によっても弾性変形の一部が消費されるため、ケーブル構造全体の加工精度は極めて高く、残る余裕は非常に小さくなります。全体のデザインは、一枚板の橋の上を歩いているような感じです。少しでも逸脱すると、プロジェクトは失敗します。

さらに、他の無線信号からの干渉が起こらないようにするため、FAST は貴州省の人里離れた山岳地帯に設置されています。現場には大型の機材が進入できないため、高さ170メートルを超える鉄塔、深さ38メートルの杭打ち工事、空中で組み立てられる約1万本の鋼鉄ケーブルなど、多くの工事が手作業で行われている。働く人々の知恵と創意工夫された工法で完成させた大規模プロジェクトです。

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FAST のデバッグにおける難しさは何ですか?

FAST システムは従来の望遠鏡とは異なります。従来の望遠鏡の放物線と交差点にある受信機は、どの方向を向いていても自然に一致します。しかし、FAST の場合、反射面は 500 メートルスパンのケーブル ネット、つまり約 10,000 本の鋼鉄ケーブルで編まれた複雑なケーブル ネット システムであり、その上に 600 メートルスパンのケーブル駆動構造があり、その外側には 30 トンを超える重量の給電キャビンがあります。これら 2 つのシステムは完全に独立しており、どちらもキロメートルレベルのスケールでミリメートルレベルの測位精度を実現できる柔軟な制御システムです。これは、従来の産業用スタジアムでは経験したことのないことです。従来のエンジニアリング精度では、500 メートルあたり 1 メートルの差は視覚的または安全上の影響を及ぼしません。しかし、FAST の場合、数ミリメートルの誤差でアンテナ効率が低下します。

さらに、FAST は貴州省の雨や霧の多い環境で稼働しており、すべての測定と制御を 24 時間体制で実施する必要があります。これは、大量の光学測定実験を24時間使用することができず、すべてを再検討する必要があることを意味します。 FASTの全天候型運用能力を確保するために、最終的に衛星測位測定システム、慣性航法、レーザートータルステーションの統合測定技術を採用しました。レーザートータルステーションは基本的に雨の日や霧の日には動作しませんが、衛星ナビゲーションと慣性航法により、FAST の全天候型動作能力が保証されます。

一方では、このシステムはさまざまな測定方法を組み合わせて相補的な利点を実現します。一方、精度も向上し、さらに重要なことに、FAST の耐候性も向上します。その後、レーザートータルステーションの代わりにマイクロ波距離計も使用しました。さらに、GPS を「逆」に使用して、基地局を空の衛星として扱い、フィードキャビンに反射させることで、24 時間体制で高精度という目標を達成することがよくあります。

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FAST は何を達成しましたか?

1937年から現在まで、電波望遠鏡は90年近くにわたって開発されてきました。私たちの「China Sky Eye」は、宇宙望遠鏡の発展の歴史に大きな足跡を残しました。初めて我々は指揮官の座に立ったが、そのリードはほんの少しではなく、少なくとも精度で2.5～3倍高い。

FAST の感度、全天候型運用能力、年間 6,000 時間を超える観測時間は、当初は私たちの想像を超えるものでした。

FAST は優れた性能を持つ電波望遠鏡であるだけでなく、非常に使いやすい電波望遠鏡でもあります。現在までに、科学者たちは FAST を通じて 660 個以上のパルサーを発見しており、これは同時期に世界中のすべての電波望遠鏡によって発見されたパルサーの総数の 5 倍以上です。同時に、FAST は 2 年間の活動期間中に、科学者が Nature 誌に 5 本の論文、Science 誌に 1 本の論文を発表するなど、いくつかの重要な科学的成果を達成するのにも貢献しました。これらの科学的成果のいくつかは、ネイチャー誌の2021年トップ10のブレークスルーと発見に選ばれました。さらに、FASTの成果は、2021年に中国の2つの科学アカデミーの学者によって選ばれたトップ10の科学的進歩にも含まれていました。

これらの科学的成果の中で最も興味深いのは、2007年に発見された新しい天文現象である高速電波バーストです。高速電波バーストとは、太陽が数日、あるいは1年かけて放出するエネルギーが数千分の1秒の間に放出される現象です。科学者たちは高速電波バーストの発生源に興味を抱いていたが、超高感度のFASTが電磁波の偏向角の変化をはっきりと測定するまで、はっきりと検出することができなかった。これは、磁気圏構造がこのタイプの天体で非常に重要な役割を果たしていることを意味し、基本的に遠方のマグネターから来ていると予測している。

FAST は科学研究だけでなく、実用的なアプリケーションにも使用できます。例えば、FASTをアクティブレーダーと組み合わせると、1000キロメートルの軌道上にあるミリメートルレベルの物体、つまり静止軌道上の50ミリメートル以内の物体を観測することが可能になります。現在の宇宙打ち上げミッションはすべてデブリフラックスモデルに依存しており、デブリを回避して適切な打ち上げ時期を見つける必要があることを知っておく必要があります。しかし、これまでのフラックスモデルはすべて外部モデルを使用していましたが、FAST を使用すると、完全に独立した制御可能なフラックスモデルを確立できます。

さらに、FAST は地球近傍天体の早期警報にも役立ちます。たとえば、2019 年には、小惑星が地球と月の間の距離の 6 分の 1 の距離を通過しました。人類が発見できなかったのは、小惑星が太陽の方向からやってきたため、強い太陽光のせいで光学望遠鏡ではっきりと観測できなかったためです。しかし、電波帯を使って観測すれば、より早期に発見できる可能性があり、将来的には地球近傍天体防衛の重要な戦略的支援となるだろう。

将来、FAST は私たちに無数の想像力をもたらすでしょう。たとえば、FAST に発射装置を追加すると、より興味深いことが可能になります。 「China Sky Eye」がさらに斬新なものをもたらしてくれることを期待しましょう。

最後に、「China Sky Eye」の建設者たちに敬意を表したいと思います。

この記事は、FASTチーフエンジニアの江鵬氏がスターフォーラムで行ったスピーチに基づいています。