SKAO – 正方キロメートルアレイ観測所: 宇宙の電波を記録する

スーパー望遠鏡

最も注目を集める天文学の巨大プロジェクトは、印象的な画像を生み出す可視光またはその近傍の波長を観測する望遠鏡であることが多い。代表例はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）であり、以前の巨大プロジェクト記事で詳しく取り上げた。

しかし、恒星やその他の天体が発する信号は可視光だけではない。電波天文学は電磁スペクトルの別の領域を観測し、光学画像とは異なる現象を調べる。

出典: SKAO

初期の電波天文学では、直径305メートルのアレシボ天文台のような巨大アンテナが使われた。同天文台は2020年の崩壊後に運用を終えたが、1990年代の映画『ゴールデンアイ』や『コンタクト』にも登場した。

出典: The Meliorist

別の手法では、多数の小型アンテナの信号をデジタル処理で統合する。これは干渉法、または開口合成と呼ばれる。

干渉計ではアンテナ間の最大距離が理論上の角分解能に影響し、集光面積、感度、観測時間が微弱な信号の検出能力を左右する。したがって、間隔を広げるだけで自動的に高品質な画像が得られるわけではない。

出典: NRAO

SKAO（Square Kilometre Array Observatory）はこの干渉法を用い、広い範囲に配置した二つの電波望遠鏡を段階的に建設している。基本設計の完成時には南アフリカにSKA-Midのパラボラアンテナ群、西オーストラリアにSKA-Lowの低周波アンテナ群を置く計画だが、実際の規模と時期は資金と段階的な引き渡し計画に依存する。

この計画は電波帯で宇宙を調べる能力を大きく広げると期待される。ただし、具体的な科学成果はアレイの性能、較正、検証、実観測によって決まる。

電波天文学

カール・ジャンスキーは1933年、ベル電話研究所で空から届く電波を検出し、その起源が天の川銀河にあることを突き止めた。これは現代電波天文学の出発点とされる。

その後研究は発展し、1974年のノーベル物理学賞は、開口合成への貢献でマーティン・ライル、パルサー発見への貢献でアントニー・ヒューイッシュに授与された。パルサーは高速回転し、規則的な電波パルスを放つ中性子星である。

出典: Nobel Prize

電波天文学ではパルサー、超大質量ブラックホールのジェット、中性水素、超新星残骸、星間分子などを研究できる。ただし、これらの天体が常に電波でしか観測できないという説明は正確ではなく、現代の研究では複数の波長や観測手段を組み合わせることが多い。

多くの電波観測は雲があっても昼間でも行え、電波の一部は可視光より宇宙塵を通り抜けやすい。一方で、人為的な電波干渉、電離圏、水蒸気などの影響を受ける周波数もあり、あらゆる天候で制約なく観測できるわけではない。

現在は干渉法を使う施設が多く、米国ニューメキシコ州の27基からなるVery Large Array（VLA）や、チリの66基からなるAtacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA）が代表例である。「最大」という比較は、アンテナ数、集光面積、基線長、周波数帯によって意味が異なる。

• 後にWi-Fiへ応用された信号処理アルゴリズム
• MRIなどにも使われる画像・信号処理技術
• 宇宙航行の誘導と、GPSなどに関連する精密測地
• 地殻プレート運動の精密測定。地震研究には役立つが、地震を確実に予知できるわけではない
• レーダー、通信、リモートセンシング向けの低雑音増幅器

SKAOの歴史

SKA計画は、干渉法によって約1平方キロメートル、すなわち100万平方メートルに相当する集光能力を目指す構想から始まった。名称はこの歴史的目標に由来するが、段階的な実設計は一枚の連続した1平方キロメートルのアンテナではない。

この規模は、初期宇宙の水素信号や最初の銀河形成などを研究するために提案された。「ビッグバン後1億年」を観測するという表現は、その時代を可視光写真として直接撮影するという意味ではなく、極めて微弱な電波信号を統計的に解析することを意味する。

SKAOには多数の加盟国、パートナー、オブザーバーが参加している。創設メンバーにはオーストラリア、中国、イタリア、オランダ、ポルトガル、南アフリカ、英国が含まれ、その後も参加形態は変化してきた。古い資料の国一覧を現在の最終的な構成とみなすべきではない。

出典: Wikipedia

2005年に候補設計を六案へ絞り込み、2011年にSKA Organisationが正式に設立された。その後、条約に基づく政府間組織として現在の観測所へ移行した。

出典: SKAO

2015年には科学論文集「Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array」が刊行され、31か国籍、1,213人の執筆者による135章を収録した。

2019年にローマでSKA Observatory条約が署名され、参加国の法的枠組みと責任が定められた。

SKAO評議会は2021年7月に建設開始を承認し、2022年12月には両サイトで着工式を行った。2022年末までに約5億ユーロの契約が公表され、その後も段階的な建設が続いている。

初期費用は2014年に18億ユーロと見積もられ、2021年時点の報道では必要予算が約30億ドルへ増えたとされた。これらは完全な基本設計の最終費用を示すとは限らず、範囲と時期は資金調達と段階的な納入に左右される。

建設中から科学計画と検証は進んでいるが、日程は当初予想から変わった。公表された段階計画では部分アレイで科学検証を始める一方、197基と512局からなる完全な基本設計の完成時期は未定である。

出典: SKAO

SKA-Lowは2025年に1,024基のアンテナで初期テスト画像を作成し、SKA-Midの最初のパラボラアンテナも同年に天文信号を捉えた。2026年1月には2基で初の干渉縞を取得した。科学検証は2027年以降、リスク共有型の初期運用は2029年前後が計画されており、完全システムが2027年に稼働するという旧説明は正確ではない。

出典: SKAO

SKAOの設計

計画は二つの大陸に分かれ、南アフリカにSKA-Mid、西オーストラリアにSKA-Lowを建設する。観測所本部は英国に置かれている。

出典: SKAO

英国本部は、電波天文学の発展に果たした役割によってユネスコ世界遺産となったジョドレル・バンクにある。

出典: SKAO

南アフリカと西オーストラリアは、人為的な電波干渉が少なく、遠隔地が広く、南天の重要領域を観測できることから選ばれた。この利点を維持するには電波保護区と周波数管理が必要である。

SKA-Mid

SKA-Midの完全な基本設計は、南アフリカにある既存のMeerKATの64基を統合し、最終的に197基の可動式パラボラアンテナを目指す。ただし、最初に資金が確保された段階ではより少ない基数を納入し、完全設計への拡張は追加資金に依存する。

既存のMeerKATアンテナは直径13.5メートル、新しいSKAアンテナは15メートルで、後の段階で一つのシステムへ統合する計画である。

SKA-Midの計画上の最大基線は約150キロメートルで、設計資料では完全構成の総集光面積を約33,000平方メートルとしている。

中国、オーストラリア、カナダ、フランス、ドイツ、イタリア、南アフリカ、スペイン、英国、スウェーデンの機関がSKA-Midの設計に貢献した。部品は各国で製造され、南アフリカへ運ばれて組み立てと試験が行われる。

新しいアンテナは高さ約22メートル、直径15メートルで、反射面は66枚のパネルからなる。広い周波数帯で機能するには非常に高い表面精度が必要だが、精度の数値は部品と測定方法によって異なる。

出典: SKAO

質量約160キログラムの受信機は電波を低雑音の電気信号へ変換し、その後データをデジタル化して光ファイバーで処理設備へ送る。

直径15メートルは、視野、感度、精度、費用を考慮した折衷案である。「小型アンテナほど常に分解能が高い」という説明は正しくない。アレイの角分解能は主に基線長と周波数で決まり、アンテナ直径は視野と集光面積に影響する。

設計では量産費用、設置速度、運用・保守費、強風や熱応力などの環境条件に耐える能力も検討された。

出典: SKAO

SKAOが公表した設計比較では、完全なSKA-Midは従来の基準施設に対して分解能約4倍、感度約5倍、掃天速度約60倍を目標とする。これは完全構成と想定性能に基づく設計目標であり、現時点で完成済みシステムを測定した結果ではない。

SKA-Low

SKA-Lowは、大型パラボラアンテナを使うSKA-Midとは大きく異なる設計で、非常に多数の固定アンテナによって低い周波数を観測する。

SKA-Lowの完全な基本設計は、512局に分けた131,072基の対数周期アンテナを目標とする。各アンテナは高さ約2メートルで、50～350MHzの観測を想定する。最初の資金確保済み段階は307局までで、512局への拡張は追加資金に依存する。

出典: ABC

クリスマスツリー状の形は、50～350MHzの広い周波数帯へ応答するよう設計されている。宇宙膨張による赤方偏移で古い中性水素信号が低周波へ移ることはあるが、低周波信号がすべて古いという意味ではない。

アンテナ自体は機械的に動かない。信号をデジタル合成するビームフォーミングによって、アレイの感度を特定の空へ向ける。処理能力に応じて複数のビームを構成することもできる。

各アンテナは、信号を増幅してまとめる電子ボックスへ接続される。その後、局のデータをデジタル化し、光ファイバーで中央処理設備へ送る。

設計資料は完全アレイの大きな有効集光面積を示し、元記事では419,000平方メートルという数値を挙げている。有効面積は周波数と定義によって変わるため、全周波数で一定の幾何学面積として扱うべきではない。

出典: SKAO

設計比較では、完全なSKA-Lowは既存の基準施設に対して分解能約25%向上、感度約8倍、掃天速度約135倍を目標とする。これらは完成構成の予測値であり、現時点の最終運用実績ではない。

十万基を超えるアンテナを製造、設置、保守する必要があるため、SKA-Lowでは可動部のない構造や量産しやすい部品などが設計上重視された。

SKAOの目標

SKAOは「アレイ・アセンブリー」と呼ぶ段階ごとに建設し、アンテナや局を追加しながら信号経路全体を検証して能力を高める。

プロジェクト研究では、科学運用段階の部分アレイが通常のパルサーを数千個、ミリ秒パルサーを数百～約千個検出できる可能性を見込む。地球へ信号を向ける銀河内パルサーをすべて検出するという目標は高度な構成に対する推定であり、感度、観測範囲、天体の性質に左右される。

SKA-Lowは「宇宙の夜明け」と再電離期の中性水素信号を測定することを目指す。この時代には最初の恒星と銀河が形成され、銀河間ガスの状態が変化した。求める信号よりはるかに強い前景放射を除去する必要があり、測定は非常に難しい。

出典: SKAO

多数のパルサーの到着時刻を精密に比較することで、ナノヘルツ帯の重力波が時空へ与えるゆっくりした変化を探索できる。これは別の周波数帯を観測するLIGOを補完するが、LIGOと同じ方法で重力波を直接検出するわけではない。

両望遠鏡は可変のサブアレイへ分割して複数観測を並行実行できる。ただし、分割すると各実験で使えるアンテナ数と感度は低下する。

出典: SKAO

SKAOの技術的成果

製造と経済的影響

この計画の工学的難しさは、高精度と大規模な反復製造を両立させる点にある。SKA-Midでは多数のパラボラアンテナ、SKA-Lowでは数万基以上のアンテナに加え、電子機器、光ファイバー、ソフトウェアも必要となる。

契約と提携は参加国の企業へ分散され、技術移転や地域雇用につながる可能性がある。ただし、経済への純効果は費用、地域調達、契約後に能力が維持されるかで変わる。例は次の通りである。

• スペインのSeven Solutionsは時刻・周波数配信装置を開発し、その後Safran Electronics & Defenseに買収された。
• イタリアのSIRIO Antenneは、約2年半で最初の78,520基を製造する契約を得た。
• 豪州Ventiaは、オーストラリアのSKA-Lowインフラを整備する3年間、1億2,500万ユーロの契約を得た。
• 51%をAdenco Constructionが保有するSouth Africa Power Adencoは、光ファイバー、道路、電力設備を提供する。
• AAC Clyde Space傘下のスウェーデンAAC Omnisysは、電波検出用の受信機と精密計測装置を提供する。

データ管理

アンテナ信号をデジタル化すると、伝送、同期、処理、保存が必要な膨大なデータが生じる。データ管理はプロジェクト最大の技術課題の一つである。

設計資料では、SKA-Lowからパースの処理施設へ約8テラビット毎秒、南アフリカのSKA-Midから約20テラビット毎秒の内部データ流を想定している。これは処理前の生データで、科学データとして保存される前に大幅に削減される。ALMAとの単純比較は段階と測定地点に左右される。

信号は各アンテナへ異なる時刻に到着するため、高安定な時刻基準と継続的な較正で整列させる。個々のデータ点に別々の原子時計が必要という意味ではなく、統合された時刻・同期ネットワークを使う。

相関処理と較正の後、データはScience Data Processor（SDP）へ送られる。設計文書は各システム約135ペタフロップスを想定していたが、最終構成と機器は段階的な納入で変わり得る。特定年のスーパーコンピューター順位との比較もすぐ古くなる。

完全設計は年間約700ペタバイトの科学データ配信または保存を想定する。これを「一般的なノートPC150万台分」とする比喩は仮定するディスク容量次第であり、実際の保存・冗長化構造を表すものではない。

関連する一部の計算・電力設備は太陽光発電と蓄電池を使い、ディーゼル発電機をバックアップにする。ただし、電源構成は施設ごとに異なり、SKAOの世界中の計算処理すべてが太陽光で動くという意味ではない。

SKAOフェーズ1以降

SKAOの次なるステップ

アンテナや局を追加して検証するほど感度と掃天能力は高まるが、較正、空のカバー範囲、ソフトウェア、資金の制約があるため、能力向上は常に単純な比例関係になるわけではない。

出典: SKAO

観測所は将来の拡張を想定している。現在のプログラムは南アフリカとオーストラリアが中心だが、歴史的計画にはボツワナ、ガーナ、ケニア、マダガスカル、モーリシャス、モザンビーク、ナミビア、ザンビアなど他のアフリカ諸国のアレイも含まれた。これらすべてが現時点で契約済みの建設計画というわけではない。

部分アレイによる観測開始へ向け、科学利用例を更新する「Advancing Astrophysics II」が準備された。

その他のラジオ望遠鏡

米国は現行VLAの後継としてNext Generation Very Large Array（ngVLA）を計画している。参照設計では米本土、ハワイ、プエルトリコにアンテナを配置し、カナダの参加も想定するが、元記事執筆時点では完成した運用アレイではなかった。

出典: ngVLA

NASAと米エネルギー省は、電波雑音の少ない月の裏側で使うLuSEE-Night（Lunar Surface Electromagnetics Experiment）を開発している。巨大な皿ではなく、交差する二組のダイポールを構成する4本のモノポールアンテナで50MHz未満を測るパスファインダー装置である。

出典: Cosmo

Lunar Crater Radio Telescope（LCRT）はNASA Innovative Advanced Conceptsで研究された初期概念で、承認済みNASAミッションではない。直径3～5kmのクレーター内へ直径1kmのワイヤーメッシュ反射面を展開し、その上へ受信機をケーブルで吊るす構想である。

出典: NASA

結論

SKAOの成果の多くは、一般的なカラー写真よりも複雑な地図、スペクトル、時系列測定になる。中性子星、ブラックホール、銀河間ガス、宇宙構造の進化など、多様なテーマを研究する。

成果は宇宙理解を大きく変える可能性があるが、JWSTなどを補完するもので、科学的影響を完成前から順位付けすることはできない。目標には宇宙の夜明け、重力理論の検証、パルサー時刻測定、銀河進化、生命関連分子の探索などが含まれる。

これは数千人の研究者と技術者を動員する国際的な産業・科学プロジェクトである。電波センシング、時刻同期、光ファイバー、低雑音電子回路、精密製造、データ解析を進歩させる可能性があるが、プロジェクト外の商業効果は別に検証する必要がある。

SKAOは21世紀を代表する電波天文学計画の一つになる可能性が高い。ただし、完成と科学成果の公表前に「疑いなく最も重要で変革的」と断定するのは証拠を超える。

SKAO関連企業

AAC Clyde Space

多数の企業がSKAOに関与する。小企業にとって契約の相対的重要性は大きい場合があるが、会社全体の売上、受注残、資金、履行リスクの中で評価する必要がある。

その一社がスウェーデンのAAC Clyde Spaceで、子会社AAC Omnisysが2023年にSKA-MidのBand 1受信機供給契約を獲得したと発表した。

発表された契約額は1,200万ユーロで、80基の統合受信システムを納入する。元の予定は2027年第1四半期までの納入だった。公開資料では各受信機は直径1メートル超、質量約180kgとされる。元記事はQualcomm (QCOM )が付属デジタル変換器を作るとしたが、リンク先の契約発表はこの主張を裏付けていない。

出典: Chalmers SE

AACは電波望遠鏡システムのほか、小型衛星を設計、製造、運用する。一部の軌道投入費用の低下は小型衛星と衛星コンステレーションの市場を支え、その代表例にSpaceXのStarlink (SPCX )がある。ただし採算性は打ち上げ価格、衛星質量、信頼性、需要、許認可に左右される。

会社は15基の衛星からなるコンステレーションを運用し、画像、船舶追跡、精密農業、森林データなどを提供すると説明していた。運用衛星数は時間とともに変わり、サービス品質は衛星寿命、範囲、顧客需要に依存する。

同社は「Space Data as a Service」へ農業用ハイパースペクトルデータや船舶通信用VDESを追加する計画を示した。戦略資料の日程は変更され得るため、特定時期の打ち上げや収益を保証しない。

出典: AAC

同社は、欧州気象衛星開発機構（EUMETSAT）関連、光・量子通信のESA OPS-SAT VOLT、スコットランド初の衛星UKube-1、海事通信衛星Ymir-1などにも関わった。これらは過去契約、運用ミッション、将来計画が混在する。

AACは欧州の自立的な宇宙能力と新しい衛星網への関心から恩恵を受ける可能性があるが、結果は保証されない。資金、履行、打ち上げ、競争、顧客集中のリスクがある。また、ESAをSpaceXやRocket Lab (RKLB )（リンク先はRocket Labの別の投資レポート）と直接比較するのは、政府間機関と商業打ち上げ事業者を混同している。