何十年もの間、天文学者は月の裏側に電波望遠鏡を建設することを提唱してきた。この「電波の静かな」地帯は、常に地球を背にしているため、私たちの地球からはもちろん、地球を周回する宇宙望遠鏡でも観測できない低周波の様々な天文現象を研究するための最適な場所となる。しかし、そのコストやロジスティックスの問題から、これらの構想はほとんどが夢物語に終わっている。

しかし今回、天文学者とエンジニアのグループが、ロボット月面着陸機と4台の二輪ローバーで、月の裏側に100平方キロメートルもの大きさの電波望遠鏡を設置し、展開する構想を発表した。

FARSIDE（Far-side Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets）は、ローバーを使って、月の裏側の表面に128個の二重偏波ダイポールアンテナを配置し運用する。アンテナは、光通信と電力伝送の機能を持つ、平らで薄い（1〜2mm）テープテザーで構成される。

「また、親星のハビタブルゾーン内にある太陽系外惑星の磁気圏の検出につながる可能性もあります」と、研究チームはarXivで公開されたプレプリント論文に記している。

さらに、FARSIDEは、太陽から外惑星まで、私たち自身の太陽系における同様の活動を特徴付ける能力を持つことになり、仮説上の惑星ナインを含む、とカリフォルニア工科大学の天文学教授でコンセプト研究の著者の一人であるGregg Hallinan（グレッグ・ハリナン）博士は述べている。

「私が個人的に最も期待するのは、ハビタブル外惑星候補の外惑星磁場の探索です。これは、私たち自身の太陽系における惑星のハビタビリティのための重要な成分である可能性があり、我々はまだ他の太陽系外惑星に関するデータを実質的に持っていない。 それが、私が地上や地球軌道からアクセスできる周波数の100倍も低い超低周波に設計を押し進めた理由です。」と、Hallinan氏はUniverse TodayにEメールで語っている。

FARSIDEの構想は、カリフォルニアにあるオーエンスバレー電波観測所長波長アレイ（OVRO-LWA）と呼ばれる、地球から同様の電波天文学を行おうとする新しくアップグレードされたアレイを指導する仕事に基づいている。この新しいアップグレードにより、観測所は10秒ごとに全天を撮影し、木星型太陽系外惑星の磁場を検出することができるようになる。

「FARSIDEの設計はOVRO-LWAをベースにしていますが、月より100倍低い周波数で、居住可能な惑星を追いかけることになります。 また、私は『暗黒時代』と呼ばれる、最初の星や銀河が形成される前の時代の科学にも非常に熱心です。これは宇宙論の次の大きなフロンティアであり、地上からは全くアクセスできないからです。」とHallinan氏は語る。

FARSIDEのアイデアは数年前からあったが、ロボットと無人の着陸船を使うという新しいアイデアによって、このコンセプトがより現実的なものになった。アンテナテープを展開するFARSIDEのロボットローバーの設計は、NASAのジェット推進研究所（JPL)が20年以上前から開発している「アクセル」シリーズのローバーがベースになっている。アクセルは、ジェット推進研究所が20年以上前から開発しているローバーで、最新の改良により、月の裏側のような荒い表面での観測機器の配置に特に優れている。2輪のテザー付きローバーは、急勾配の険しい地形でも作業でき、傾斜の強い地形でも懸垂下降が可能だ。JPLによると、テザーは急な斜面で機械的なサポートを提供し、ホストプラットフォームから電力と通信を供給する。Hallinan氏とそのチームは、機器やアンテナも内蔵されるようにテザーを設計している。

「地上に横たわることで、ダイポールは実際に真上を見たときに非常に良い感度を持ちます」とHallinan氏は言う。

ローバーは、長さ12kmの4本のテザーに、それぞれ64個のリモートパワーエレクトロニクスノードを搭載して巻き取ります。研究チームは、アレイの4つの異なるデザイン（上の図を参照）を分析し、最も優れた性能を示したのは、「最も短いローバー軌道を必要とし、より小さなテザースプールの収容が容易でローバーあたりの質量負担が少ない」4アームスパイラルであったという。

JPLとの共同研究に加え、チームはBlue Originとも協力し、FARSIDE望遠鏡の設計を既存の月着陸船にどのように組み込むことができるかを検討し、そのケーススタディにブルームーンランダーを使用した。具体的には、かつて火星探査機「スピリット」と「オポチュニティ」の主任研究員であり、現在はBlue Origin社の主任科学者であるSteve Squyres（スティーブ・スクワイアーズ）氏と共同研究を行った。

「私たちはNASA JPL、そしてSteveとBlue Originのチームと素晴らしい経験をしました。明らかにSteveは、探査機の使用に関しても多くの実用的な知識をもたらしてくれ、それがさらなる利点となりました。 私たちは2週間ごとに集まり、進捗状況を話し合い、新たな方向性を探りました。新しい設計の結果には、非常に満足しています。」と、Hallinan氏は語る。

Hallinan氏によると、4台の小型ローバーは、以前のコンセプト設計に比べてはるかに多くの冗長性を備えているとのことだ。さらに、月面の気温が100Kと低いことが課題となったが、JPLのエンジニアは、追加の加熱をしなくても極低温で動作する電子機器を搭載したアンテナ受信機の新しい設計を持ち込んだ。

「我々はまた、基地局に電力を供給するために、マルチミッション放射性同位元素熱電気発電機（MMRTG）を使用するつもりでしたが、ブルームーンランダーはそのための新しい方向に進むことを可能にするソリューションを持っています。論文からわかるように、新しい設計は大きな改善です。」とHallinan氏は述べている。

Hallinan氏は、この比較的単純な設計で明白でないかもしれない1つのことは、このアレイが非常に低い無線周波数で信じられないほど敏感であることであると言う。

「ダイポールは一般的に、低い無線周波数になるほど感度が高くなります。しかし、ノイズの主な原因は、銀河からの電波で、これは非常に明るく、低い周波数では、ダイポールの感度が上がる速度よりも速い速度でより明るくなります。要するに、地上から低周波の電波を受信すると、全体的に感度が低下するのです。しかし、約3MHzで何か不思議なことが起こります。銀河は『光学的に厚く』なり、この周波数以下では明るくならないのです。しかし、双極子はどんどん良くなっていくのです!この効果のおかげで、アレイは3MHzに比べて300kHzでは100倍も感度が良くなっているのです。」とHallinan氏は説明する。

Hallinanは、夜間の月面は、太陽系内で唯一これが可能な場所であると付け加えた。

「地球周回軌道では、太陽風による『プラズマノイズ』が完全に支配的なノイズ源です。ですが月表面、特に夜間側にはプラズマ空洞が存在し、これが可能になるのです。」

チームが設計に取り組んできたことで、この設計をどれだけ早く実際のミッションに回すことができるだろうか？

「今日、次の正式なステップを開始すれば、2028年までに打ち上げられるでしょう」とHallinan氏は述べている。

研究の要旨

FARSIDEは、128台の二重偏波ダイポールアンテナを100平方キロメートルの範囲に配置し、運用する月の裏側へのミッション構想である。この干渉電波望遠鏡は、遠方星系の前例のない電波画像を提供し、コロナ質量放出や高エネルギー粒子事象の微弱な電波信号の調査を可能にし、親星のハビタブルゾーン内の系外惑星周辺の磁気圏を検出することにもつながる。同時に、FARSIDEは、赤方偏移の範囲（z約50-100）にわたって、21cmのグローバルな信号で初期宇宙の「暗黒時代」を測定することもできる。アンテナノードは、通信と電源のテザーで中央のハブ（着陸船に設置）に接続されている。ノードは冷温動作可能なエレクトロニクスで駆動され、地球上の望遠鏡を2桁上回る非常に広い周波数帯（200kHz〜40MHz）を連続的に監視する。この画期的な能力を達成するためには、月面に強固な展開戦略が必要である。これは、既存の高TRL技術（実証済みまたは開発中）で実現可能で、ブルーオリジンのブルームーンランダーのような次世代商業着陸機で地表に到達することが可能なものである。この論文では、NASAのジェット推進研究所で開発中のテザー移動ロボットの最近の進歩を活用した、アンテナのパッケージング、配置、地表展開のトレードスタディを紹介する。このテザーは、光通信と電力伝送機能を備えたアンテナ内蔵のフラットなテープテザーを展開するために使用される。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。