地球上で最も澄んだ星空を見ることができるのはどこでしょうか?

著者: 星良（中国科学院大学）

この記事はサイエンスアカデミー公式アカウント（ID: kexuedayuan）から引用したものです。

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私たちが街に閉じ込められ、星に慰めを見出そうとするとき、私たちが目にするのは主に空に届く高層ビルです。時折、空の遮るもののない領域が色とりどりの光で満たされ、深刻な光害が夜空全体を覆います。タイミングが良ければ月も見えますが、ほとんどの場合、星は一つも見えません。

このような場所は星空観察には絶対に適した場所ではなく、普通の天文学愛好家はこのような場所から遠ざかるでしょう。新しい天文台を建設したい場合、人口密集地域はほぼ確実に無視されるでしょう（非常に裕福でない限り）。都市の光害を避ける以外にも考慮すべき要素はたくさんあります。空気の透明度、大気の乱れ、空気密度の安定性を評価するだけでなく、その地域の年間の晴天条件も考慮する必要があります。電波観測を行う場合は、周囲の電波信号からの干渉の程度も考慮する必要があります。

これらすべてを考慮して、天文台の設置場所は、都市から遠く離れた僻地、廬山の本当の姿が知られていない高山、梅の花を見て喉の渇きを癒すしかない砂漠、地面が白く風が冷たい極地などに選ばれます。

世界の「乾燥極地」、チリのアタカマ砂漠にあるヨーロッパ南天天文台（画像提供：ナショナル ジオグラフィック）

それで、地球上で観測するのに最適な場所はどこでしょうか?もしそうなら、それはどこですか？

アイスドームA～澄み切った星空！

最近、国際科学誌「ネイチャー」は中国科学院国立天文台の尚兆輝研究員率いるチームによる研​​究を掲載した。既知の証拠によれば、地球上で最も優れた天文観測地点は南極大陸のドーム A です。

南極のドームAの位置（画像出典：wikipedia.org）

南極大陸は、その地理によって東南極大陸と西南極大陸に分けられます。ドームAは東南極の中心近くに位置しています。ドーム A は、地球にとってのエベレストのような存在で、南極にとっての存在です。それは南極で最も高い氷床です。山ではなく氷帽と呼ばれるのは、山のようにまっすぐ空に向かって伸びておらず、平地と見た目が変わらないからです。標高は4,093メートルですが、南極大陸全体が高地であるため、相対的な高さは1,639メートルに過ぎません。

「ペンギン」がドームAに着陸 - 中国の第35回南極科学調査ミッションから派生（写真提供：新華社通信）

私たち一般人にとって、ここで直接星空を見たいと思うことは、実に非現実的です。南極大陸だけでも私たちから遠く離れているのに、ドームAは南極大陸の内陸部まで1,200キロメートル以上も伸びており、これは北京から上海まで車で行く距離に相当します。同時に、高高度では大気が薄くなり後退する恐れがあり、注意しないと酸素不足に陥ります。また、ここの寒さは本当に恐ろしいということにも注意してください。夏の気温は摂氏マイナス40度くらいになります。毎年冬になると、ドーム A の気温はしばしば摂氏マイナス 80 度を下回り、摂氏マイナス 98 度という極端な気温になることさえあります (この低温については、学界でまだ議論が続いています)。いくつかの人工の実験室を除けば、ここは地球上で最も寒い場所のほぼすべてです。人類史上最も寒い町はロシアのシベリア北東部にあるオイミャコンで、最低気温は摂氏マイナス71度で、ドームAの冬の平均気温よりも低い。

人間が生存できる最も寒い町 - オイミャコン (写真提供: Daily Headlines)

したがって、距離、高度、温度という 3 つの主要な要素 (およびおそらく 4 番目の要素である数十億ドル) により、ドーム A の良好な観測環境を目撃できるのはごく少数の人々だけになります。この素晴らしい場所を私たち中国人が初めて訪れたことは誇りです。 15年前の2005年、我が国の南極科学探検隊のメンバーは中山基地からドームAまで1,228キロメートルを旅しました。

さて、ここの澄んだ星空はどこにあるのでしょうか？

これには、重要な測定可能な指標である「見る」を考慮する必要があります。

なぜ大砲は星を撃てないのか？

今のところ、視覚の詳細については秘密にしておきます。それでは、頭の体操をしてみましょう。なぜ大砲は星に当たらないのでしょうか?砲弾の速度が宇宙の第二速度に達しないために星に当たらないという話はやめておきましょう。そのような難問を解こうとすると、怒りが死ぬだけになります。答えは皆さんもよくご存知だと思いますが、それは星が「光る」からです。

しかし、星はただ瞬くだけではありません。地球には大気があり、内側から外側に向かって徐々に薄くなっていきます。遠くの星の光を捉えるには、その光がさまざまな密度の空気媒体を通過する必要があります。屈折の法則によれば、光は通過するときに屈折します。問題は、雰囲気が鉄板のようなものではないことです。温度が不均一な空気はさまざまな乱流を引き起こし、大きな乱流の中にも小さな乱流があり、それが空気をペースト状にかき混ぜ、このペーストは常に変化しています。大気に「汚染」されていない星空を 4K 120 フレームのビデオと比較すると、通常の状況で私たちが目にするのは、ひどい 480 p 30 フレームの画像です。

このようにして、星は「光る」だけでなく「ぼやける」ことになり、望遠鏡で見られる結果は下図のようになります。

これは長時間露光で撮影した星の写真で、一定期間にわたって望遠鏡の視野内で星の位置がどのように変化するかを示しています。アマチュア用望遠鏡の接眼レンズに映る星が揺れているのも見えます。これはおそらく三脚が不安定なためです。三脚をアップグレードする時期が来ました。 (画像出典: Wikipedia エントリ - Seeing)

同じ望遠鏡から異なる視界条件で見た木星の比較。右側の悪い条件では、縞模様だけがぼんやりと見え、大赤斑はほとんど見えません (画像提供: britastro.org)

はい、望遠鏡の価格とは何の関係もありません。鏡がどれだけ高価で精密であっても、画像はぼやけてしまいます。この曖昧さは、視覚の観点から測定されます。科学的な定義では、シーイングとは、大気の乱れの影響により天体観測の対象がどの程度ぼやけてちらついて見えるかを表す物理量です。通常は度数で表されます。角度が小さいほど視界が良くなり、自然と星空が鮮明に見えるようになります。厳密に言えば、視覚の研究は大気科学の研究の範囲内です。天文学の研究者は通常、数値を測定するだけで、それを具体的に分析するための気象モデルを構築することはほとんどありません。

解像度の概念をある程度理解している生徒は、望遠鏡の口径が大きいほど解像度が高くなり、遠くにある 2 つの隣接する物体を区別しやすくなり、見える画像がより鮮明になることを知っているはずです。

望遠鏡の解像度の式、λは光の波長を指し、可視光は通常300〜800 nmです。Dは望遠鏡の直径、θは望遠鏡で見ることができる最小解像度の角度です。

この計算によれば、これらの大型望遠鏡は理論的にはミリ秒角（1 度 = 3600 秒角）の解像度を達成できますが、大気の影響により、理論上の解像度が常に達成されるとは限りません。現在、世界最高の望遠鏡はハワイとチリ北部の優れた場所に集中していますが、そこでのシーイングは一般的に 0.6 ～ 0.8 秒角であり、残念ながら望遠鏡自体の性能からは程遠いものとなっています。

このような困難な問題に直面したとき、通常は 2 つの選択肢があります。一つはハッブル望遠鏡のように宇宙に行くことです。残念ながら、宇宙旅行は複雑で費用もかかります。楽器に何かが起こった場合、修理するのは非常に面倒です。そうでなければ、なぜジェイムズ・ウェッブ望遠鏡はまだ宇宙に打ち上げられていないのでしょうか?もう 1 つのアプローチは、地上で適応光学を使用して、大気の揺れによって生じる誤差を補正することです。しかし、1990年代から天文学に応用されてきたこの技術は、誤差を補正することはできても完全に排除することはできないため、地球上で最適な観測地点を探索する作業を継続することが合理的です。

実際、「見る」という概念は私たちにとって遠いものではなく、普通の天文学愛好家も頻繁にそれを扱っています。 Sunny Day Clock のようなアプリをダウンロードすれば、視程の欄が見つかります。円が小さいほど視認値が小さくなり、観察効果は向上します。

ソフトウェアで表示される国立天文台密雲ステーションに関する情報

舞台裏の調査

南極は人間の活動の痕跡がほとんどない孤立した場所です。全体的に標高が高く、光害も少ないです。極寒地での機器稼働の問題が解決できれば、当然天文台を建設するには最適な場所だ。また、高緯度条件下では、独特の極夜シーンを利用して、興味のある空の特定の領域を 24 時間連続して追跡できます。

今回、ドームAの探査により、この場所の最低視程は0.13秒角に達し、長期測定による平均視程は0.31秒角であり、以前の場所の選択よりもはるかに優れていることが判明しました。ドーム A の最適な結果が出る前は、ドーム C のシーイング データは比較的優位な位置にあり、平均値は約 0.23 ～ 0.26 秒角でした。

実際、学術界では以前から、ドーム A が地球上で最も優れた観測場所であるはずだと推測してきました。 2005年以来、我が国の科学調査隊はこの地域に足を踏み入れ、ドームAの調査を完了し、ここに基地を建設する準備を進めてきました。 2009年に、私たちは3番目の南極科学研究基地である崑崙基地を設立しました。また、中国初の内陸南極科学研究基地でもあり、南極大陸全体の最上部に位置しています。その後の科学探検隊はここに観測機器を設置し始めました。

今回のドームAの観測結果は、依然として2019年の第35次科学探検隊の成果に依存している。尚兆輝研究員は天文学を担当し、新しい崑崙望遠鏡（正式名称：崑崙微分画像運動監視装置、英語ではKL-DIMMと略される）を展開した。崑崙望遠鏡の主な役割は、視程静穏度を測定することであり、これにより、ドームAにある崑崙ステーションの観測所サイトの特性を定量的に評価することができます。

興味深いのは、地面に直接固定されているのではなく、高さ 8 メートルの塔の上に設置されていることです。これは、ここの大気境界層の厚さがわずか約 13.9 m と薄いためです。この高度以上であれば、地上の乱気流を回避でき、非常に良好な視界が得られます。同時に、塔の建設も非常に独創的です。風速8m/sの場合、上部プラットフォームの揺れは3mm未満になります。観察される星は私たちの視野内にしっかりと限定され、もはや「消え去る」ことはありません。

一対の崑崙望遠鏡と塔（画像出典：Shang Zhaohui）

ブロックを組み立てるときと同じように、高く積み上げるほど倒れやすくなります。私たちの塔が高さ14メートルで安定を保つのは難しいですが、隣のドームCと比べると、はるかに簡単です。ドームCの境界層の厚さは約30mです。ここで同様の観測効果を達成するには、高さ30メートル以上の安定した塔を建設する必要があります。この作業には時間がかかり、費用もかかります。

これまで、ドーム A は星空観察に適していると私たちは常に信じてきましたが、その具体的な利点を裏付ける十分なデータが不足していました。今回蓄積されたシーイングデータと、近くで連携して稼働している複数の気象観測機器を合わせると、ドームAが最適であると信じる十分な根拠が得られ、そこに望遠鏡を建設することもそう遠くない。

付属の多層自動気象観測所 KLAWS-2G (左) と 2 つの雲量およびオーロラ監視装置 KLCAM (右矢印で示す) (画像提供: Shang Zhaohui)

ちょっとした展望

確かに、宇宙よりも南極に鏡を設置する方がはるかに便利ですが、後のメンテナンスには便利だとしても、そのような低温の中で長期間にわたって人を駐留させることは現実的ではありません。したがって、南極、特にドームAに新しい望遠鏡を建設する際には、超低温での動作に適応し、自宅で観測用の端末を制御できるように、優れた安定性を確保する必要があります。

実際、私たちは今まさにそれを行っています。崑崙望遠鏡を操作するために、現場に誰かが常駐する必要はありません。マイナス80度の環境でも動作するように設計されました。電源に関しては心配する必要はありません。南極は非常に寒く、日光も弱いです。太陽光パネルの使用は費用がかかり、面倒で、エネルギーがニーズを満たさない可能性があります。そこで、電池が入った容器を望遠鏡の横に置くだけで、便利で安定します。スーツケースは1年間使用できます。とにかく、毎年科学的な探検ミッションが行われています。時期が来たら、ここに来てバッテリーを交換してください。あまり時間はかかりません。

崑崙基地の天文作業現場（写真提供：国立天文台）

誰かをここに監視役として配置すると補給が問題になるし、一日中氷と雪に囲まれていては退屈だろう。結局のところ、一年中寒さに悩まされたいと思う人は誰もいないでしょう。プロセス全体を自動化したほうが良いのではないでしょうか?

実際、ドーム A は可視光学望遠鏡に適しているだけでなく、非常に乾燥した気候とクリーンな電磁環境により、電波望遠鏡にも特に適しています。テラヘルツ帯域での環境測定により、ここの電波望遠鏡はより多くの電磁波帯域を観測できるようになります...

つまり、これは貴重な土地であり、将来、我が国の天文学的事業に間違いなく貢献するでしょう。

参考文献:

[1] Ma、B.、Shang、Z.、Hu、Y. 他。南極のドームAにおける夜間の天体観測。ネイチャー583、771–774（2020）。

[2] ドームA – 地球上で最も寒い場所 http://suo.im/5DBxbx

[3] 中国の天文学者、南極のドームAが地上光学天文観測所としては最高であると確認 - 中国国家科学基金 - http://suo.im/5DBxaJ

[4] 天文観測—Wikipedia http://suo.im/5w5jIu

[5] スカンボス、TA;キャンベル、GG;ポープ、A.;ハラン、T.;武藤 明;ラザラ、M.;レイマー、CH;ヴァン・デン・ブルック、MR (2018)