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九章　直径一万キロの望遠鏡

　中米だか南米だかの、ある航空会社の遺失物係のところで、妙な荷物がみつかりました。
　宛先はカリブ海のプェルト・リコ島のアレシボにある電波天文台、中味はうごいている超精密原子時計でした。
　一〇〇万分の一秒の狂いも許されない、この原子時計も、目的地に着かなくては、役にたたなかったわけです。
　この原子時計こそが、直径一万キロの望遠鏡、地球全体を一枚のレンズのように使う「ＶＬＢ干渉計」の心臓であったのです。
　遺失物係りの話は、うわさで聞いただけで真偽のほどははっきりしませんが、時計が行方不明になったために、この壮大なＶＬＢの実験の初名乗は、少しおくれて計画を進めていたカナダのグループにさらわれてしまう結果になりました。
　少しでも大きな望遠鏡をつくろう、というのは天文学者のひとりひとりがみんなもってしる夢です。
　電波で観測する人たちもおんなじことです。
　そうやって宇宙の少しでも遠方を、少しでも細かいところまではっきりと観測したいと努力をつづけているのです。
　いま電波で天体を観測している人たちの開での相言葉は、「地上最大の望遠鏡をつくろう」ということです。
　世界で一番大きな電波望遠鏡は、ドイツのボンにある直径が一〇〇メートルもある電波望遠鏡です。
　しかし、私たちの「地上最大」はもっともっと大きなものです。
　地上における最大という意味です。つまり地球と同じ大きさの電波望遠鏡です。
　こんな大きな夢が、実現されようとしています。これには世界中の電波天文学者が、力を合わせてかからなければなりません。
　さきほどの遺失物の話も、その第一歩となる試みであったのです。

　1  電波望遠鏡はピンボケだ top

　最近、ドイツのボンに直径一〇〇メートルの電波望遠鏡ができました。
　おわん形のものでは世界で最大のものです。
　そんな大きな電波望遠鏡でも、やっと人間の目と同じくらいにみえるにすぎません。
　それではずいぶんつまらない話ですね。それは、実はこういう話なのです。
　電波望遠鏡のレンズにあたるところは、アンテナです。みなさんの身近に、テレビのアンテナがあるでしょう。
　アンテナをテレビ局の方向に向けると、テレビの電波が受かります。
　電波望遠鏡を天体の方向に向けると、天体の電波が観測できるのと同じです。
　アンテナをテレビ局の方向から少しだけずらすとどうなるでしょうか。
　少しくらいずらしたのでは、テレビはそんなに不都合なく受けられます。
　電波望遠鏡も、天体から少しだけずらしてもまだ天体からの電波は消えません。
　これは、都合のよいことのように思われるでしょうが、実は反対で、とても都合の悪いことなのです。
　テレビ局の方向を正確にきめられませんね。電波望遠鏡でも同じことがいえるのです。
　写真でいえばピンボケの写真に相当するわけです。
　ピントのボケている写真では、星がぼやっとうつっていますね。つまり、電波望遠鏡はピンボケなのです。
　実際にどのくらいピンボケかというと、さっきお話ししたボンの一〇〇メートル電波望遠鏡でも、人間の目ぐらいの細かさでみえるくらいです。
　数年前までは、電波を出す天体はあんまりたくさん発見されておらず、はなればなれにポツン、ポツンとあるだけだったので、それでも十分でした。
　しかし大きな電波望遠鏡ができて、うんと弱い天体まで観測できるようになってくると、とてもそうはいかなくなってきます。
　星雲のようなものからの電波を調べるときには、そのどこからどんな電波が出ているかをみなければなりません。
　光の望遠鏡のように、細かいところまではっきりみえる電波望遠鏡、これが私たち電波で天体をにらんでいる人間の夢なのです。

　つまり、ずれた方向から入ってくる電波は、一点に集めてやっても、距離がずれてしまって、山と山どうし、谷と谷どうしがうまく合わさってくれません。
　これが、ちょうど一方が山のときにもう一方が谷になってしまうと、その方向からの電波は完全に打ち消し合って、電波が受からないことになります。
　目的の天体からほんの少しでもはなれると、もう受からないというのがピントのよい望遠鏡です。
　ＡとＢとの距離がうんとはなれていれば、少しの角度のずれでもすぐにそのくらいの電波の距離の差になります。
　つまり、電波望遠鏡は大きければ大きいほど、天体の細かいところまではっきりみえるというわけです。
　大きな電波望遠鏡をつくろうというのは、たくさんの電波を集めるためだけでなく、そのように天体をはっきり観測したいためでもあるのです。

　2  その一歩、干渉計 top

　まるっきりおんなじ話を聞いたことがありませんか。
　そうです、ワイルドのラジオ・ヘリオグラフのところです。
　あの時は、干渉計から「望遠鏡」をつくるのに、ピンボケと二重写しをどう防ぐかを考えたのでした。
　いま、これでおわん形の望遠鏡との関係も、はっきりしたわけですね。

そこで一つ、図のように直径四キロの望遠鏡をつくってみましょう。 　まず、さっきとおんなじで、直径四キロのおわん形の望遠鏡が「あったと考え」ます。 　おわん形の鏡の上にさっきと同じようにＡ、Ｂ二点を考えましょう。 　それとおんなじ位置関係になる干渉計を一つつくります。 　さらにまた別の二点の組合せを考え、それとおんなじ干渉計をつくります。 　そうやっていって、おわんの上の二点の「すべての組合せ」を実現すれば、必要な情報は全部集まったことになります。 　これを組み合わせて、「これだけの場所から電波が集まるとどうなるか」がわかります。 　さっき頭の中で考えた、「直径四キロの望遠鏡」で電波を集めるとどうなるか、その結果がわかったのです。 　これは、その望遠鏡を使ってやった観測結果にほかなりません。

　観測結果がわかったのですから、望遠鏡ができたとおんなじことですね。
　干渉計望遠鏡の秘決は「なるべくひろいところに、なるべくつめてアンテナをおく」とばくぜんとお話ししましたが、くわしく言えばこういうことなのです。

　3  原子時計でつなぐＶＬＢ干渉計 top

　普通、電波望遠鏡では、おわん形の鏡で電波を一点に集めて観測しますが、天体の細かいところまではっきりと観測しようと思うと、うんと大きなおわんが必要になります。
　そこで、いくつものアンテナどうしをケーブルでつないでやったらどうだろう。
　これが干渉計のやり方であるというのが、いまのお話でした。
　直径四キロくらいなら、まだまだケーブブルで大丈夫です。一〇キロならどうでしょうか。
　一〇〇キロなら……。アンテナをおく範囲がひろくなると、ケーブルの長さはどんどん長くなってきます。
　ケーブルが長くなってくるとそれだけ電波が弱くなったり、それをおぎなうために、増幅器を入れるぺ今度はそのために新しい誤差が入ってきたりします。
　ケーブルのかわりに、テレビ中継などに使うマイクロ波（電波）中継を使うこともできます。
　電波を使って、数百キロまでのばしたという記録があります。
　たとえば、一〇〇キロはなれたアンテナで、波長二〇センチの電波望遠鏡でどのくらいまで細かくみられるかというと、大ざっぱにいって一〇〇キロ先で二〇センチぐらいのものまで識別できます。
　角度にすると一秒の約半分というところです。
　非常に条件の良い時に、光の望遠鏡で天体をみるときと大体同じくらいの細かさになります。
　つまり、ここでやっと電波は光においついたわけです。
　さらにピントのシャープさ、「分解能」を高くするためには、もっともっとアンテナをはなさなければなりません。
　もうケーブルでつなぐなどは不可能となります。
　そこで考えられたのがいまからお話しするＶＬＢ干渉計です。
　二つのアンテナをケーブルでつなぐのは、おわん形の鏡で電波を一点に集めるかわりです。
　それならば、二つのアンテナに入ってきた電波を、テープレコーダーに記録しておき、テープをもちよって合わせたらどうでしょうか。
　これはずいぶんむずかしい問題がついてきます。
　干渉計では、電波という波の、山は山どうし、谷は谷どうしで合わさらなければいけませんね。
　そのために、少しの狂いもないように、正確なケーブルでつないだわけです。
　波長二〇センチの電波の山と山がうまく合わさるためには、山と山の間隔は二〇センチなのですから、その一〇分の一くらいの誤差でつなぐことが必要です。
　一〇〇キロものケーブルを誤差を二センチ以下にそろえることが、どんなに困難なことがおわかりになるでしょう。
　テープレコーダーでやる場合も、ちょうど電波が二センチだけ進む時間だけのずれしか許されないわけです。
　これが少しでも狂うと、観測が台無しになってしまうのです。
　遺失物係りでみつかった超精密原子時計は、実はこの時間合わせのためのものだったのです。

　4  ＶＬＢ干渉計のしくみ top

　この章のはじめの方で、私は、一〇〇万分の一秒の狂いも許されないと書き、今度は電波が二センチだけ進む時間が許される誤差だと書きましたね。
　これはずいぶん大きなくいちがいだと気がつかれた方もあるでしょう。
　一〇〇万分の一秒といえば、電波は三〇〇メートルも進んでしまいます。
　電波が波ならば、山と山を合わせるときに、一方だけを一山だけずらして合わせたらと考えてみましょう。
　そうするとすぐそばにある谷はやっぱり谷どうしで合わされるから、やっぱりうまくいくはずです。
　それなら二山ずらしたら、三山ずらしたら、……、とやっていって、いったい何山くらいずらしてよいのでしょうか。

大ざっぱに言って、次のように考えればわかります。 　波長二〇センチの波といっても、二〇・〇〇〇〇センチだけでなく、一九・九九センチから二〇・〇一センチまでといったように、ある範囲のものがまざっています。 　ある瞬間で考えると、一九・九九九センチの波も二〇・〇○一センチの波も、ほとんど二〇・〇〇センチの波とちがいありません。 　一山ずれても、○・〇〇一センチしかすれません。二山ずらしても○・○○二センチしかちがいません。

　一〇〇〇山ずらすとこの誤差は一センチになり、そろそろあぶなくなってきます。
　許される誤差はニセンチだったわけですから、二〇〇〇山くらいまでが限度でしょう。
　これは約四〇〇メートルというわけで、電波が四〇〇メートル進むには、約一〇〇万分の一秒かかりますから、さっきいった一秒の一〇〇万分の一というのは、実はこのことだったのです。
　というわけで、テープレコーダーに必要な原子時計の精度がわかりました。
　干渉計にする二つの電波望遠鏡のところに、そのような時計とテープレコーダーをそろえましょう。
　ちょうど中間の適当な場所に、両方の時計をもってきて正確に合わせましょう。
　一〇〇万分の一秒くらいなら簡単に合わせることができます。
　この時計を、私はＡの観測所へ、あなたはＢの観測所にはこびます。
　時計の狂いが少しでも小さくてすむように、大急ぎではこびましょう。
　さてあなたが天文台にもどると、電波望遠鏡はもう目的の天体をにらんで、観測態勢に入っています。
　増幅器からでた出力はテープレコーダーにつながれて、何回かテスト・レコードがやられています。
　あまり増幅しすぎるとテープにひずみが入ってしまうし、足りないとテープの雑音に負けてしまうからです。
　あなたのもって帰った原子時計の示す時刻を、一〇〇万分の一秒ごとにテープレコーダーに記録するように、線がつながれて、準備はととのっています。
　プラグを差しこんでテープに入れてみましょう。うまく記録されているようです。
　さて、向こう側の天文台からも原子時計がついてテストがすみ、準備ＯＫとの連絡が入ります。
　いよいよ観測開始です。
　といっても、もうすでに目的の天体をにらんでいる電波望遠鏡からの電波を、テープレコーダーに入れるだけです。
　テープ何巻分かをレコードし終わって観測終了、次はテープのもちよりです。
　しかしその前にすることがあります。一〇〇万分の一秒といえばどんな精密な時計でも狂いがあります。
　両方の時計をもう一度もちよってくらべてみましょう。はじめに合わせてからもう三日もたっています。
　くらべてみると一〇万分の一秒ほど違っていました。
　さあ大変です。せっかくの観測が全部だめになってしまったのでしょうか。

　5  コンピューターの出番 top

　しかし、時計のちがいが正しくわかっていれば、さっきレコードしたテープを、その分だけずらして合わせてやればＯＫです。
　三日たって一〇万分の一秒くるっていたのだから、観測をしていた日にはその半分の一〇〇万分の五秒違っていたと考えてもよいでしょう。
　これで大体は合いますが、絶対という保証はありません。しかし、なにはともあれやってみましょう。
　どうやら、少しだけ天体からの電波が入っているようです。ためしにもう少しずらしてみましょう。
　一〇〇万分の六ずらしたり、七ずらしたり、四ずらしたり、いろいろやってみます。
　そうすると、かならず天体からの電波が最大になるところがみつかるはずです。
　つまり、時計のずれはちょうどそれだけあったことになります。
　そうやって引っぱりだした、天体からの電波の成分と、その天体からでている電波全体の強さをくらべることによって、この天体がどのくらいのひろがりをもっているかがわかることは、この章のはじめでお話しした普通の干渉計とおんなじです。
　さて、この一〇〇万分の何秒というずれを、いろいろとためしてみるというのは、実は大変な仕事です。
　覬測のはじめからおわりまで、正しくこのずれを保つ必要があります。
　テープレコーダーからでてきた電圧（電波の強さの変化です）を合わせるというのも、一秒に数百万回の掛け算をすることと同じです。
　つまり、正確に同期された、スピードの速い、大型のコンピューターの仕事だということです。
　干渉計にテープレコーダーを使うこのやり方は、ずいぶん前から考えられていました。
　しかし、その頃には、精密でもちはこびのできる原子時計がなかったのです。
　時計があんまり正確でなくても、コンピューターで何十回もためしてみればよいぱずですが、これもなかなかそれだけの能力のある大型高遠のコンピューターが、まだ発達していなかったので実現しませんでした。
　原子時計がだんだんと精密になり、あんまり何十回もためさないでもよくなり、また、そのくらいの回数ならばなんとかためしてみられるコンピューターができて、その両方によってＶＬＢ干渉計が実現したのです。

　6  地球は一枚のレンズ top

　いままでは、アンテナ二つだけのＶＬＢのお話をしてきました。
　もし、世界のどこかにもう一つの電波望遠鏡があって、それも仲間に入ったとしましょう。
　そうすると、諸道具一式を一組ふやすだけで、ＡＢ、ＢＣ、ＡＣの三組のＶＬＢ干渉計が実現します。
　もし、電波天文台一〇ヵ所が協力すれば、四五組のＶＬＢが実現するわけです。
　時計を合わせたりする手間は一〇倍でよいのに、得られるデータは四五倍になるのだからこたえられません。
　つまり、ＶＬＢクラブはメンバーがふえればふえるほどうまいわけです。
　世界中で同じようなテープレコーダー、同じようなレコードの形式などを使って一緒にやれるように相談が進んでいます。
　ところで、このＶＬＢ干渉計も、アンテナ二つでは、前にお話ししたおわん形の電波望遠鏡でいうと、おわんの上の二ヵ所だけから電波を集めたことにしかなりません。
　おわんの上のいろいろな位置の組合せをうまくひろいだして、いくつもの干渉計として実現させると、干渉計のアンテナのばらまかれたひろさと同じくらいの大きさのおわん形の電波望遠鏡が「合成」できるわけです。
　アメリカでは、すでにいくつもの電波天文台が力を合わせて、そのような試みをはじめています。
　カシオペア座のＷ3という名前の電波をだす天体のまわりで、星がいま誕生しつつある姿がこれで描きだされました。
　これは、おおよそ直径一〇〇キロの電波望遠鏡に相当します。
　もっともっと大きな望遠鏡だって可能です。
　世界中の電波望遠鏡をＶＬＢでつなげば、地球と同じ大きさの電波望遠鏡が合成できるはずです。
　直径一万何千キロのレンズを使ったＶＬＢ望遠鏡です。
　これがこの章のはじめにお話しした、「地上最大」の望遠鏡です。
　このような望遠鏡は大勢の人びとが力を合わせ、知恵をだし合ってはじめて可能になります。
　現在、あちこちの天文台どうして協力して行われているＶＬＢ観測が、もっとひんぱんに行われるようになり、さっきお話ししたように、いくつもの天文台が一緒にやる「ＶＬＢ網」のようなものがつくられ……、という積み重ねも必要です。

　それぞれの天文台の位置がはっきりわからないと観測の誤差になります。
　天文台間の距離を正確にきめるのには、よくわかっている天体を何個かリストに入れておく必要があるでしょう。
　各観測所の位置を正しくはかるのは、いわばレンズみ、かきに相当します。
　レンズはいつもきちんと手入れしなければなりません。
　そのために、いつもこの何個かの天体がリストの中に入れられるわげです。

　7  宇宙のはてと地球の内側 top

　直径一万キロのＶＬＢ望遠鏡ができると、宇宙はまた新しい姿を私たちにみせてくれることでしょう
　。新しい望遠鏡ができるたびに、宇宙はより深い真実をみせてくれるのです。
　私たちのＶＬＢ望遠鏡に、それならばどんな宇宙の姿がみえるのか、それは全くわかりません。
　いままで考えてみなかったようなことかもしれません。
　しかし、いま私が考えてみただけでも、ずいぶんいろいろなことをあげることができます。
　第一に、宇宙の遠方のものでも、ずいぶん細かいところまではっきりとみることができます。
　宇宙にはてがあるかないか、地球がまるいように、宇宙も有限であるかどうかといった大問題に、解答があたえられるかもしれません。
　そうでなくても遠方の天体の爆発などが手にとるようにわかるのですから、ずいぶんといろいろの発見があるでしょう。
　このような観測では、はっきりわかる細かさは角度で一度の一千万分の一ですから、「光の望遠鏡はピンボケ」ということになります。
　第二に、あんまり遠方でない天体では、その構造をはっきりみることができるでしょう。
　銀河系の中でガスが集まって星が誕生するときに、どんなふうにかたまってくるかを、調べることができるでしょう。
　そうすると、星がどんなふうにして生まれるかがわかります。
　星や我々の太陽の一生についで、このあたりはあまりよくわかっていない部分だったのです。
　第三に、実はもっともっと近いところにＶＬＢ望遠鏡の観測目標示あります。それは我々の地球です。
　本来、遠方をみる望遠鏡であんまり近くをみると、ピントが合わなくなって困ってしまいます。それどころか、この場合は、望遠鏡自身、それも、レンズをその望遠鏡でみるのだから妙な話ですね。
　話というのはこうなのです。それぞれのアンテナの狂いを調べるために、よくわかっている天体をいくつかリストに入れるとお話ししましたね。
　これで各アンテナの狂いがわかります。
　一番大事なのがアンテナの位置の狂いで、これぱいわばレンズみがきに相当すると申し上げました。

　大地の動きをはかるのにぱ、大地よりももっとうごかないものが必要だからです。
　ＶＬＢ望遠鏡で、レンズの狂いをいつも正確にはかっていれば、レンズの「皮」である大地の動きが正しくわかるはずです。
　どこがどう動いたか、といったことから、大陸移動をおこす地球内部での原因なんかも、つかめることになります。
　天文学者といえば、空ばかりみて歩いていて井戸に落ちたというふうな話が、昔からおもしろがって伝えられています。
　しかし、あんがい、地球の内部なんかも、天文学者にとっては興味のある「天体」なのです。
　さあ、この望遠鏡ができるのはいつごろのことでしょうか、あんがい近い将来かもしれません。
　この本を読んでくださった方々の何人かは、その頃には大学院か何かに進んで、ＶＬＢ望遠鏡で自分の研究をするようになっているかもしれませんね。