空を観察するには、好ましい場所が必要です。望遠鏡を置くのに最適な場所はどこですか?

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 蘇建

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

科学の歴史に興味深い話がありました。

1998年、オーストラリアの科学者たちは電波望遠鏡を使って異常に強いパルス信号を受信しました。この信号は10年以上にわたって40回以上観測されており、平均すると年に数回程度ですが、出現時期は不規則です。

当時、誰もがこれを歴史的な発見だと考え、さまざまな憶測が飛び交いました。これはエイリアンが送った通信信号だと信じる人さえいます。この謎は、受信した信号が実際には実験室の電子レンジから発せられたものであることを科学者が発見した17年後まで解明されませんでした。

天文学は観察と発見の学問です。天文学関連のノーベル賞9件のうち7件は観測上の発見に対するものです。望遠鏡は人間が未知のものを観察し、探索するための重要な手段です。先ほど述べた電波望遠鏡は天体望遠鏡の一種です。

天体望遠鏡は、観測帯域や観測方法によって、光学望遠鏡、電波望遠鏡、宇宙望遠鏡などに分けられます。望遠鏡自体の性能が天体観測の結果を左右するほか、人間の活動も天体観測に大きな影響を与えます。天体望遠鏡の設置場所の選択と建設が非常に慎重になるのは、ほんのわずかな「不注意」が誤解を招くことになるからです。

では、天体望遠鏡に適した場所をどのように選べばいいのでしょうか?今日は詳しく紹介していきましょう。

画像出典: veer gallery

光学望遠鏡：明るすぎるのも良くないし、大気の活動に邪魔されるのも良くない

星空を観察する場合、光学望遠鏡が最も避けたいのは「光害」です。

「光害」とは、日中の白色光害（太陽光を反射する建物など）や夜間の人工的な昼光害、有色光害など、不要または過剰な強制光が人間や地球の自然生態系に及ぼす悪影響を指します。

光害が天体観測に与える影響は、主に 2 つの側面で現れます。1 つは、夜空の背景 (夜空の背景の明るさ特性) がどんどん明るくなり、天体の明るさと夜空の背景のコントラストが低下し、観測の限界等級 (つまり、見える最も暗い星の等級値) に影響を及ぼします。一般的に、人工的な光害によって空の明るさが 5 倍に増加すると、観測可能な最も暗い星の等級は 2 等級近く明るくなります。

その一方で、天体観測においては信号対雑音比（天体を観測する際に得られる信号と雑音の比）が低下します。一般的に、信号対雑音比が高いほど、観測効果は向上し、信頼性も高くなります。明るい物体と同じ信号対雑音比を達成するには、暗い物体ではより長い観測時間が必要となり、観測効率が相対的に低くなります。そのため、人工的な光害により空の明るさが 5 倍に増加すると、観測される天体の信号対雑音比は元の値の約 40% に低下し、暗い星の観測にとってほぼ致命的になります。

天文観測の場合、光害は観測の質に重大な影響を及ぼし、微弱な天体を観測する能力を弱め、さらには光害の影響を避けるために一部の天文台を「移転」したり、新たな観測基地を建設したりする事態にもつながります。たとえば、1947 年に有名なグリニッジ天文台は 70 キロメートル南に移転されました。

わが国では、深刻化する光害を避けるため、上海天文台の佘山天文台が浙江省安吉市に新たな観測基地を建設しました。南京紫金山天文台は江蘇省徐邑に新しい観測所を建設した。雲南天文台も麗江の辺鄙な山村に新たな観測点を建設した。

現在、世界各国の主要な天文台では、周囲の光害が天文観測や研究に与える影響を抑制するために、関連する法律や規制を制定しています。チベットのアリ天文台など、我が国で新たに建設された天文台も、敷地条件を保護するために近くに暗黒天文自然保護区を設立しました。国際天文学連合（IAU）は、さまざまな帯域の電磁放射（可視光汚染や電波干渉を含む）による汚染を避けるために、既存および潜在的な天文台敷地を保護することを専門とする特別なB7委員会も設立しました。

国際宇宙ステーションから撮影された北京と天津の夜景（画像提供：NASA）

光害を考慮することに加えて、光学望遠鏡の設置場所を選択する際には考慮すべき点が数多くあります。

「星は瞬き、月は疑問符を描いている。」星が「瞬く」理由は、光が地球の大気圏を通過するときに、大気の乱れによって乱され、不規則な屈折が生じるためです。同時に、地球の大気も光を吸収したり散乱させたりするため、光学望遠鏡による天体の観測にも影響を与えます。したがって、光学望遠鏡の設置場所を選択する際には、大気活動による干渉を最小限に抑えることが最も重要な選択基準となります。

気候条件の観点から、優れた観測所の立地は、乾燥した気候、晴天日が多い、大気が安定している（気温が比較的一定）などの条件を満たしている必要があります。私の国の天文台のほとんどは水辺にあります。水は「サーモスタット」として機能し、熱対流によって引き起こされる大気の乱れを軽減し、シーイング（望遠鏡で表示される画像の鮮明さ）を向上させることができるからです。

国家天文台懐柔観測基地（画像出典：筆者作成）

ハワイのマウナケア、カナリア諸島のラ・パルマ、南米のアタカマ砂漠など、世界の重要な光学観測所の視界条件は理想的です。これらの観測所のほとんどは、水辺や山頂、砂漠など、上記の条件を可能な限り満たすことができる場所に設置されていることがわかります。しかし、人間の活動はこれらの天文観測地点にますます大きな影響を与えています。

アタカマ砂漠を例に挙げてみましょう。ここは世界の天文学の中心地として知られており、多くの天文台が存在します。観測データによれば、砂漠の平均気温は過去40年間で1.5度上昇しており、これにより機器の冷却が妨げられ、観測所が故障する可能性が高まっている。

同時に、アタカマ砂漠は年間平均降水量が 0.1 mm 未満で、世界で最も乾燥した地域の一つです。しかし近年、地球温暖化により異常気象が増加し、砂漠の降雨量も増加し始めています。 2015年、1回の降雨量は過去7年間の総降雨量に匹敵しました。晴れの日が減ると観測可能な日数も減り、必然的に観測に影響が出ます。

同時に、気温の上昇は山火事の増加にもつながり、観測所に大きな脅威をもたらします。 2020年のカリフォルニア州の山火事を例に挙げると、ヒドンヒル天文台は焼失し、ほど近いウィルソン天文台も山火事で約150メートルも浸食された。消防士たちの懸命な努力によってのみ救われた。同時に、消防士たちは築133年のリック天文台も救った。火はすでに山頂まで燃え広がっていたが、幸いにも機材はすべて難を逃れた。

リック天文台 (画像出典: https://www.cnbeta.com/)

これらの直感的な条件に加えて、目立たない変化も数多くあります。たとえば、気温の上昇によって大気の乱気流が増加すると、望遠鏡の観測能力が制限されます。大気汚染により空気中のエアロゾルが増加し、望遠鏡で観測できる光の量が減少します。

いつか、望遠鏡で見る星空が灰色になる日が来るかもしれません。

電波望遠鏡：無人の地で一生を過ごしたい

光学望遠鏡についてお話しした後は、あまり一般的ではない電波望遠鏡についてお話ししましょう。電波望遠鏡には、単一アンテナ、電波アレイ（合成開口）、超長基線干渉計など、多くの種類があります。私の国で最もよく知られているのは、貴州省にある500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）で、誰もが休暇のチェックインリストに必ず載っています。

景勝地は1日の乗客数制限を設け、信号を発信できるものの持ち込みを禁止するなど明確な規制を設けているが、こうした措置では人間の行動がFASTに与える影響を排除することはできない。可能であれば、FAST は単に無人の地域に留まり、静かに望遠鏡として機能したいだけなのかもしれません。

電波望遠鏡は遠くの天体からの電磁放射信号を受信します。 FAST は感度が高く、宇宙からの極めて微弱な信号を受信することができるため、遠く離れた未知の領域を探索する上で大きな意義があります。しかし、動作中に近くに放射電磁波があると、動作に大きな支障をきたします。

FASTの正常な運営を確保するため、地元政府は特別に条例を公布し、FASTの半径5キロメートルの中核地域内での無線局の設置および使用を厳しく禁止し、放射電磁波を発生する施設の建設を厳しく禁止することを規定した。つまり、携帯電話、テレビ、電子レンジ、電磁調理器、ガソリン車などは範囲内で使用できなくなります。

さらに、観光客の出入りによって生じる振動や背景騒音も精密機器に大きな影響を与え、FAST のデータ品質を低下させます。

FAST望遠鏡（画像出典：著者作成）

宇宙望遠鏡：星空に隠れた「殺人者」に注意

上記のような影響はすべて人工的に解決できますが、宇宙に浮かぶ宇宙望遠鏡は、宇宙ゴミなど制御できない要因の影響に直面しなければなりません。

「宇宙ゴミ」とは、地球を周回している、または大気圏に突入している、人工的に作られたが機能していないすべての物体とその部品を指します。簡単に言えば、地球を周回している失敗した宇宙船またはその破片です。

人類が宇宙活動を始めて以来、宇宙ゴミの量は年々増加しています。放棄された宇宙船や崩壊によって生じた宇宙船の破片が、宇宙ゴミの主な発生源です。時には、人間の活動自体が大量の宇宙ゴミを生み出すこともあります。例えば、1963年にアメリカは通信の発展を目的として、極軌道上に3億5000万本の銅針を撒いて銅針ベルトを形成しました。しかし、これらの銅針は期待された役割を果たしませんでした。初期の電波反射ミッションを完了した後、かなりの数の衛星が所定の軌道から外れ、長期間宇宙に留まりました。

1980年から1988年にかけて、ソ連は液体金属NaKを凝縮剤として使用し、衛星の任務終了後に原子炉コアを排出する原子力海洋監視衛星を16機打ち上げた。軌道上に閉じ込められた凝縮粒子は約 264,000 個あると推定されており、これが宇宙ゴミの発生源の一部を形成しています。同時に、宇宙飛行士の生活ゴミや私物（宇宙飛行士エド・ホワイトの手袋など）も、非常に「興味深い」宇宙ゴミとなっている。

軌道上のスペースデブリと宇宙船の平均相対速度は約10km/sです。このような高速状況では、ミリメートルサイズの破片の衝突でさえ、宇宙船の外殻を突き破ったり、宇宙船を崩壊させたりする可能性がある。

多くのリサイクル機の表面は凸凹していますが、これは破片の衝撃によって残った跡です。下の画像は、有名な宇宙望遠鏡、ハッブル宇宙望遠鏡の衝撃による損傷を示しています。 1999 年 12 月、宇宙飛行士はハッブル宇宙望遠鏡の外殻の可視領域全体を撮影し、平均衝突密度が 1 平方メートルあたり約 45 個である 571 個の高速衝突特徴を特定しました。

ハッブル望遠鏡による衝突クレーター（画像提供：NASA）

ほとんどの宇宙望遠鏡は宇宙空間に直接露出しているため、宇宙ゴミが常にその安全性を脅かし、望遠鏡が完全に機能しなくなる可能性もあります。たとえば、XMM-Newton 衛星は電荷結合素子 (CCD) が損傷したために故障しました。

一般的に、1 センチメートル未満の破片の場合、衝撃による損傷を最小限に抑えるために保護層を追加する必要があります。センチメートルレベルを超える破片については、番号を付けて積極的に回避する必要があります。

各国も積極的に対応しようとしているが、捕獲や焼き払いにはロボットアームやレーザー、軽ガス砲などの手段を提案している。宇宙デブリ問題に対処するため、主要宇宙大国と協力する国際協力組織である機関間宇宙デブリ調整委員会（IADC）も設立されました。しかし、これまでのところ、これらの対策のほとんどはほとんど効果がなかった。

宇宙を飛ぶ物体について語るとき、有名な「スターリンク プロジェクト」について語らなければなりません。計画では、多数の（当初計画では12,000基）スターリンク衛星を打ち上げる予定です。光学望遠鏡にとって、それらは小さな明るい天体と同等であり、光害を増加させて暗い天体の観測に影響を与えるだけでなく、一部の天体画像が露出オーバーになり、使用できなくなる原因にもなります。

電波望遠鏡の場合、数万基のスターリンク衛星が多くの電波チャネルを占有することになり、高周波信号を観測する電波望遠鏡に直接影響を与えます。

科学者たちは、スターリンク衛星の数が6,400基に達すると、それらの周波数と衝突する特定の電波望遠鏡のダウンリンク帯域の感度が70%失われると推定している。 100,000 に達すると、これらの周波数帯域は完全に使用できなくなる可能性があります。

同時に、スターリンク衛星は軌道を自動的に変更し、固定軌道で動作しないため、宇宙にある他の宇宙船に対して一定の脅威ももたらします。 2019年9月、ESAのAeolus衛星は、Starlink衛星との衝突を避けるために緊急操作をしなければならなかった。

広大な星の海には、私たちが観察し、探索するのを待っている未知のものが数多くあります。空を見上げて星空を見ることは、私たち一人ひとりの権利であるだけでなく、宇宙を追い求める信念でもあります。宇宙を見つめる私たちの「目」が、いつまでも澄み切って明るいものでありますように。