アルマ望遠鏡が5ミリ秒角の最高解像度を達成

【2023年11月22日 アルマ望遠鏡】

天体観測において、どのくらい細かいところまで見分けることができるかという「視力」は重要なポイントだ。解像度や角度分解能と表されるこの性能は、電波望遠鏡の場合、観測に用いる周波数とパラボラアンテナ同士の距離によって決まる。アルマ望遠鏡では、観測周波数がバンド10受信機による950GHzで、アンテナ間距離が最長の約16kmのときに最高解像度が達成される。

66台のアンテナで構成されるアルマ望遠鏡のような電波干渉計では、各アンテナで受信した天体からの信号を相関器で合成する。この信号は地球大気の揺らぎの影響による観測誤差を受けているので、その誤差を取り除く必要がある。アルマ望遠鏡では、目標天体とその近くにある別の天体（較正天体）とを交互に観測し、較正天体の観測量を元に目標天体の観測誤差を補正している。

較正天体として利用されるのはアルマ望遠鏡でも点源にしか見えない一部のクエーサーだ。しかし、観測周波数が高くなるほどクエーサーは暗くなるため、較正天体を目標天体近くで見つけるのが難しくなる。また、干渉計の観測誤差も、観測周波数に比例して大きくなる。さらに、10km以上も離れた各アンテナが大気の異なる場所を通して観測すると、観測誤差はますます大きくなってしまう。このように、最高解像度を達成するうえでは観測誤差の補正が非常に困難であり、新技術の導入が必要とされていた。

国立天文台の朝木義晴さんたちのチームは、明るいクエーサーが見つかりやすい低い周波数バンドの受信機を較正天体の観測に使い、高い周波数バンドの受信機で観測した目標天体の観測誤差を補正する手法（バンド‐トゥ‐バンド）を導入して、最高解像度の達成に挑んできた。2020年には、7ミリ秒角（角度の1度の、約50万分の1）の解像度を達成している。

バンド‐トゥ‐バンド法の概念イラスト。（右上）解像度5ミリ秒角で撮像したうさぎ座R。オレンジは星表面からのサブミリ波放射、青は891GHzのシアン化水素メーザー放射に対応。（左上）バンド10受信機と最長1kmの基線長のアンテナ配列の組み合わせで観測し、解像度75ミリ秒角で撮像したうさぎ座R。解像度が粗いため、2つの放射はこのイメージでは区別できない（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Y. Asaki et al.）

朝木さんたちはバンド‐トゥ‐バンド法を取り入れて、バンド10受信機と最長16kmの基線長のアンテナ配列で、1535光年彼方にある老齢の恒星「うさぎ座R」を観測した。その結果、うさぎ座Rの表面と、891GHzで明るいシアン化水素メーザーを放射するガスを、5ミリ秒角（72万分の1度）という最高解像度でとらえることに成功した。数字だけで考えると、人間の視力では1万2000に相当する解像度だ。

これまでアルマ望遠鏡では、惑星系誕生の現場である原始惑星系円盤の観測で、円盤中の空隙などを高解像度で描き出してきたが、従来このような天体は比較的近傍にある5つほどに限られていた。今回5ミリ秒角という最高解像度が実現したことにより、さらに遠くの天体まで精細に観測できるようになり、地球軌道サイズで分解できる天体数が約100倍に増加すると期待される。惑星誕生の物理環境や惑星系の多様性の起源に関する理解が一層深まるだろう。

原始惑星系円盤の地球からの距離と数。従来アルマ望遠鏡で地球軌道スケールを見分けられるのは約300光年以内の数天体に限られていたが、解像度の向上により天体数が約100倍に増加する（提供：国立天文台）