No.288
2005.3

将来計画

ISASニュース 2005.3 No.288 


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特集 第5回宇宙科学シンポジウム
- 宇宙科学ミッションの新しい出発
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3万kmの瞳で観る宇宙の極限領域

VSOP-2観測計画


すべての銀河は中心に超巨大ブラックホールを持つ!?

 最近の天文学で分かってきた面白いことに,すべての銀河がその中心に巨大なブラックホールを持っているらしいということがあります。宇宙史の中で銀河の形成にかかわる大事な問題であり,また,ここでは一般相対論もかかわる極限的な現象が引き起こされます。

 「私たちの銀河」はおとなしいのですが,やはり中心に巨大なブラックホールを秘めているらしいことが,年々現実味を帯びてきています。ほかの銀河の中で特に元気な中心核(活動銀河核という)では,そこから何万光年にも及ぶジェットを噴出しています。ブラックホールに向かって落ちこむ渦が,磁場を媒介してジェットを噴出するのでしょう。巨大なジェットは根元ではほとんど光速に近いことが分かっています。しかし,このからくりは分かったようで分からない,「藪の中」なのです。何億光年,何十億光年彼方のこのような極限領域を「観る」には,ハッブル宇宙望遠鏡の100倍も1000倍もの解像度が必要です。このような解像度を達成できるのが,VLBI(Very Long Baseline Interferometry)を使った電波望遠鏡なのです。


スペースVLBIを本格実現した日本がさらに飛躍を!

 離れた複数の望遠鏡で電波を波としてとらえ,合成すると,望遠鏡の距離と同じサイズの口径の望遠鏡で見たのと同じ解像度の天体の画像が得られます。VLBIは,地球規模に広がった電波望遠鏡を組み合わせた地球サイズに拡がった電波望遠鏡ですが,解像度をさらに上げるために,宇宙空間のアンテナも含めたスペースVLBIが考えられるようになりました。

 1997年,「はるか」によって史上初のスペースVLBI天文衛星が実現しました。「はるか」は,軌道上での大型アンテナの展開などの工学実験を成功させ,0.4ミリ秒角という高解像度観測を実現しました。世界中の研究機関との大規模で密接な協力のもとにVSOP(VLBI Space Observatory Programme)計画(http://wwwj.vsop.isas.jaxa.jp/)を実現し,延べ700回を超える観測を行い,活動銀河核のジェットの構造や運動,ブラックホールを取り巻くプラズマ円盤構造などを明らかにしました。これは工学実験衛星の枠組みをはるかに超えた大きな成功です(図1,図2)。

図1 「はるか」はスペースVLBIの歴史を作った

図2 VSOPで見えたこの1.6GHzのM87画像は,
VSOP-2でさらに30倍の解像度で見えてくる!

 「はるか」によって得られた成果をもとにしてさらに未知の領域の天文学を切り拓くため,次期スペースVLBIワーキンググループは,ほかのいかなる計画も成しえなかった,高空間分解能による天体現象の直接撮像ミッション「VSOP-2計画」を作り上げました。

 

VSOP-2の科学目的

 我々は,VSOP-2で活動銀河核の研究に決着を迫りたいと考えています。ジェットが生成,加速されている領域の解明が大きな成果となるでしょう。さらに,活動銀河核のブラックホール周辺の降着円盤の構造,もしかすると,ブラックホールの微かな影が見え始めるかもしれません。

 原始星ではX線,電波で観測される大変強いフレアーも興味ある対象です。この大規模フレアーは星と降着円盤とをつなぐ磁力線がねじれて発生すると考えられていますが,VSOP-2の高解像の画像によって,その構造に迫り,発生メカニズムを明確にすることが可能と考えています。

 VSOP-2は,約5000万光年遠方の銀河M87では中心にあるブラックホールの数倍,400光年ほど遠方の原始星周辺では原始星の大きさの解像度で撮像ができます。日本では,このような極限領域をシミュレーションによって計算機の中に実現する研究が,大変進んでいます。VSOP-2の観た宇宙と計算機シミュレーションの宇宙とを比べながら,理解がどんどん進むことでしょう。

 

性能の大幅な強化

 このような科学を担うため,VSOP-2では「はるか」からの大幅な性能強化を狙っています。

・VSOPで主に成果の出た5GHzの約10倍の周波数,43GHzまでの観測を行うことで,解像度の向上,およびプラズマを見通す能力を高めます。高周波数化および遠地点高度を高くすることにより,達成できる最高解像度は,43GHzで0.04ミリ秒角となり,VSOPが5GHzで実現した解像度0.4ミリ秒角の,約10倍の性能向上になります。

・高周波数の2バンド(22GHz,43GHz)では冷却受信機によって高感度化を図り,また,観測データを8倍高速にとらえ観測周波数を広帯域化することで,感度が1桁向上します。これに伴い,地上へのデータ伝送は1Gbpsへ広帯域化する必要があります。

・磁場は,ブラックホールや原始星の降着円盤のまわりで重要な役割を果たしています。VSOP-2では偏波観測の能力を強化し,磁場を定量的に観測することを可能とします。


衛星を支える技術

 これまでの5年間の基礎開発によりVSOP-2を実現できる技術を蓄積しました。これらは通信などの分野にも波及効果があります。

 大型展開アンテナは口径9mのオフセットパラボラ方式。波長7mm(43GHz)の観測まで使用するため,鏡面精度は0.4mm rmsです。主鏡面は7個の要素アンテナをつなげた方式で,展開構造は技術試験衛星ETS-VIIIで開発されているアンテナの方式を利用しますが,要素アンテナの鏡面精度を上げるために新規技術を積極的に取り入れています。

 精密な観測のためには,観測天体と基準天体とを交互に観測する必要があります。VSOP-2では高速に衛星全体の向きを変える能力を強化します。また,精密観測に必要な3cm以下の高精度軌道決定を行います。

 図3にVSOP-2衛星の概略を示します。衛星重量は約910kg。打上げにはM-V型ロケットを使用し,目標軌道は,遠地点高度25,000km,近地点高度1,000km,軌道傾斜角31°,周期7.5時間の楕円軌道です。これは「はるか」よりちょっと高めですが,いい画像を作ることから決まる軌道です。

図3 VSOP-2衛星概略図

 

観測と国際協力

 VSOP-2衛星では,リンク局から送信されるきれいな信号を基準にして受信機が動作し,観測データをリンク局網に送信します。リンク局はこのデータを記録します。これに世界の電波望遠鏡群が参加し,各電波望遠鏡からの観測データは相関局に送られて相関処理され,画像処理によって天体の画像が得られます。VSOP-2では,VLBA(米国),EVN(欧州,中国),AT(豪州)などの国際VLBI望遠鏡群が参加します。韓国では,2007年までに3つのVLBI局が建設されVSOP-2への参加を表明しています。国内では,VSOPで使用している臼田64mと情報通信研究機構(NICT)鹿島34mとに加え,国立天文台VERA 20mの4局,野辺山45m,山口32m(山口大と共同で管理運用)などが増え,研究コミュニティも拡大しました。

 VSOP計画を協力して行ってきた国立天文台ではスペースVLBIプロジェクト室ができて,宇宙科学研究本部の推進グループとともにVSOP-2計画を進めています。

(次期スペースVLBIワーキンググループ) 


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