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電波望遠鏡向け高感度・小型超伝導マルチバンド受信機を開発
−従来観測できなかった周波数帯の受信と受信機サイズの小型化により、ブラックホールの解明など天文学の発展に貢献−

2020年09月29日
株式会社東芝

当社は、このたび、天体観測に使用される電波望遠鏡向けに小型マルチバンド受信機を開発しました。本受信機は超伝導回路(注1)の特性を活用した当社独自のマルチバンドフィルタの搭載により、これまで携帯電話の基地局などから出る電波の干渉により観測が難しかった周波数帯1.4GHz〜2.4GHzの天文観測において高感度の観測を可能とします。また、超伝導回路における超伝導状態の維持に必要な冷凍機の消費電力を1/30に、サイズを従来の1/10以下にすることに成功しました(注2)。超伝導状態の維持には回路を-196℃まで冷却する必要があり、これまで大型な冷凍機が必要でした。冷却の効率を高めるために当社が開発した高断熱・低損失な配線技術を搭載することで、大幅な小型化を実現し、従来では困難だった場所への設置も可能となります。
これらの技術は、観測感度の向上、観測時間の短縮に加え、より多くの場所での観測を可能とし、将来的にブラックホールなど天体の解明への貢献が期待できます。
当社は開発した受信機を、東芝ホクト電子株式会社において製造し、国立天文台およびタイ天文台に試験導入してVLBI観測(注3)を実施した結果、天体からの電波を検出し、天体のフリンジ(注4)を観測できることを実証しました。当社は今後、本受信機を国内の複数の電波望遠鏡に組み込み、実証を進め、早期の実用化を目指します。

図1 ほうおう座銀河団の中心にある銀河から噴き出すジェットの想像図。(出典:国立天文台)

電波望遠鏡は天体から届く電波を観測する望遠鏡で、光学望遠鏡と比較してより広範囲、長距離の観測が可能です。電波望遠鏡を用いた天体観測を電波天文観測と言い、地上に届く微弱な天体の電波を様々な周波数帯で観測し、宇宙で起きている自然現象を解明します。電波天文観測においては、昨年、日米欧などの国際共同研究グループが世界で初めてブラックホールの撮影に成功するなど、近年大きな注目を集めています。世界各地で大規模な電波望遠鏡の設置プロジェクトが推進されており、今後は、ブラックホールの解明に向け、ブラックホールから噴出されるガス(以下、ブラックホールジェット(注5))の観測などが計画されています。
しかし、ブラックホールジェットの観測などで受信する周波数は、近年急激な普及が進むスマートフォン等の無線システムが使用している周波数帯域と近接しているため、電波干渉の問題が顕在化しています。
国内の電波望遠鏡は、これまでは人里離れた郊外に設置することで干渉を避けてきましたが、郊外であっても徐々に干渉が避けられない状況になっています。

図2 電波天体観測の観測波と基地局の電波が干渉

そこで、当社は、次の2つの技術を開発しました。
1つ目は、無線周波数帯における干渉を解決する超伝導マルチバンドフィルタの開発です。無線システムと電波望遠鏡との干渉問題を解決するため、当社独自の高周波回路技術と超伝導技術を適用し、無線周波数帯を避け電波望遠鏡で観測する複数の周波数帯に跨る微弱な天体の電波をほとんど劣化させずに受信することができる超伝導マルチバンドフィルタを開発しました。このフィルタは、4つの周波数帯を同時に受信できるマルチバンド特性を持ちながら、損失が0.1dB以下と非常に低損失であり、かつ無線周波数帯の干渉波を1/10,000以下に減衰させる高性能な特性を有しています。このフィルタを用いることで、従来外部からの干渉波により観測が難しかった周波数帯1.4GHz〜2.4GHzでも電波望遠鏡を用いた観測システムが構築できるようになります。特定のスペクトルを出す1.4GHz帯の中性水素輝線や1.6GHz帯の水酸基(OH)メーザー輝線などの周波数帯が観測できるため、その成分のプラズマガスの分布や流れなどを観測でき、ブラックホールジェットの解明などに役立つことが期待できます。

図3 マルチバンドフィルタで観測が可能となる周波数帯と観測スペクトルのイメージ

2つ目は超伝導体の利用に必須となる冷凍機を大幅に小型化する高断熱な配線技術の開発です。今回、周囲の無線システムからの干渉を回避し、微弱な電波をほとんど劣化させることなく受信するため、超伝導体を採用しています。超伝導状態の維持には回路を-196℃まで冷却する必要があり、十分な冷却機能をもつ冷凍機が不可欠です。一方で、冷凍機の大きさと冷却能力は比例関係にあり受信機全体のサイズが大きくなってしまうという問題が生じ、新たな受信機設置への制約に繋がります。当社は、独自の断熱構造を採用した低温装置の配線技術を開発し、高断熱特性と低損失性の両立に成功しました。開発した配線技術は、従来用いられていた銅性の低損失な同軸ケーブルと比べ、10〜50倍の断熱性能を実現しました。配線部からの熱の流入を防ぎ冷却効率を大幅に向上させるため、従来の1/10程度の大きさの冷凍機でも十分な冷却が可能です。これにより、-196℃以下の低温に冷却することが必要な超伝導回路を用いた装置の小型化を実現し、従来設置が難しかった場所への設置も可能となります。この配線技術の他の超伝導回路システムへの応用も期待されています。

図4 新たに開発した配線部の断熱構造

図5 新たに開発した小型受信機の特性

当社は、今回開発した電波望遠鏡向け超伝導回路を用いた小型マルチバンド受信機を国内で運用されている複数の電波望遠鏡に組み込み、実証を進め、早期の実用化を目指します。今後、大型国際天文プロジェクト(注6)で建設が予定される電波望遠鏡への採用を目指して研究開発を進めていきます。

(注1)超伝導回路
極低温時に直流電気抵抗がゼロとなる超伝導体を、回路を構成する導体に利用したもの。ここでは、転移温度Tc=90K(-183℃)である高温超電導体(YBCO)を用いた。

(注2)従来冷凍機
電波天文の冷却受信機で使用されるGM冷凍機。別途ヘリウムコンプレッサーが必要で、回路を収める真空容器を合わせた重量は100kg以上になる。消費電力は数kW。

(注3)VLBI:Very Long Baseline Interferometry
超長基線電波干渉法

(注4)天体のフリンジ(干渉縞)
複数の電波望遠鏡から得た観測データを相関処理した際、処理後のデータが強め合ってピークを示すことをフリンジ(干渉縞)という。フリンジが検出できたことは、観測とその相関処理が成功した証拠となる。

(注5)ブラックホールジェット
ブラックホールは強い重力で周囲の物質を吸い込む反面、光速の99.99%もの極限的な速度で周囲の物質を噴出させているものもある。これがジェットと呼ばれるプラズマガスで、それがブラックホールによってどう駆動され、どう輝くのかは宇宙物理学における最大の謎の一つ。

(注6)大型国際天文プロジェクト
SKA計画(Square Kilometre Array)と呼ばれる 世界10ヶ国が参加のPJ。南アフリカとオーストラリアの砂漠に開口面積合計が1平方キロメートルの多数のアンテナを用いた電波干渉計システムを設置するPJ。南アフリカにの2、000台超の電波望遠鏡を設置予定。今までの高い周波数帯での観測ではなく、低い周波数帯(350MHz〜14GHz)を使うことで銀河の創設の謎を解き明かすために必要なシステムを構築する。


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