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 東芝は2020年9月29日、電波の干渉波を1万分の1以下に抑えた電波望遠鏡向け受信機を開発したと発表した(図1)。“宇宙物理学最大の謎”ともいわれるブラック・ホール・ジェット(ブラックホールの噴出ガス)を観測するための切り札になる可能性がある。

図1 東芝が開発した電波望遠鏡向け受信機
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図1 東芝が開発した電波望遠鏡向け受信機
4つの周波数帯を同時に受信できるマルチバンド特性を備える。外形寸法は150×470×125mmで、質量は15kg。(出所:東芝)

 「天体観測において大きな問題となっているのが、スマートフォンなどの電波による干渉だ。対策しなければ(ブラックホールから噴出される)ガスの観測は難しい」。東芝研究開発センター研究主務である河口民雄氏が、現在の電波望遠鏡の課題を説明する。

 電波望遠鏡は天体から届く電波を観測する望遠鏡である。地上に届く微弱な天体の電波をさまざまな周波数帯で観測することで、宇宙で起きている自然現象を解明する。電波望遠鏡を用いた観測では、19年に日米欧などの共同研究グループが史上初めてブラックホールの撮影に成功した。

 今後は世界的なプロジェクトとしてブラック・ホール・ジェットの観測が計画されるが、課題となるのがスマートフォンの普及に伴って深刻化している電波干渉である。ブラック・ホール・ジェットの観測で受信する電波の周波数が、スマートフォンなどの無線システムが使用している周波数帯域と近接しているためだ。

 東芝はこの課題を解決するため、複数の周波数帯の電波を受信できる「マルチ・バンド・フィルター」を搭載した受信機を開発した。この技術を用いることで、これまで観測が難しかった1.4~2.4GHzの周波数帯の電波を高感度で受信できるようになる。例えば、中性水素原子のエネルギー状態が変化することで放射される1.4GHz帯のスペクトル線を観測でき、中性水素原子が含まれるブラック・ホール・ジェットの観測に役立つ(図2)。

図2 ブラックホールのイメージ図
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図2 ブラックホールのイメージ図
ブラックホールは強い重力で周囲の物質を吸い込む一方で、プラズマガスであるジェットを噴出している。(出所:国立天文台)

 電波望遠鏡のフィルターは、干渉電波の受信を阻止し、必要な電波のみを受信する役割を担う。東芝の開発品は、必要な電波のみ通過させる「帯域通過フィルター」と、特定の干渉波を阻止できる「帯域阻止フィルター」の組み合わせで構成しており、無線周波数帯の干渉波を1万分の1以下に減衰できるという(図3)。

図3 干渉波を1万分の1以下に減衰
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図3 干渉波を1万分の1以下に減衰
観測に必要な周波数帯の電波のみを受信し、雑音指数を0.5dB以下に抑えた。(出所:東芝)

 1.4~2.4GHz帯では天体からの電波に加えて、干渉波となるスマートフォンや衛星電話の電波が飛び交う。干渉波を避けて天体からの電波の周波数帯のみを受信するため、これまでは複数の帯域通過フィルターを用いていた。課題となっていたのが、衛星電話の周波数帯だ。周波数が天体からの電波と重なっているため、帯域通過フィルターだけでは網羅することが難しい。そこで東芝は新たに開発した帯域阻止フィルターを衛星電話の周波数帯に用いることで、干渉波を避けながら4つの周波数帯を同時に受信することに成功した(図4)。

図4 マルチ・バンド・フィルターで4帯域をカバー
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図4 マルチ・バンド・フィルターで4帯域をカバー
「帯域通過フィルター」と「帯域阻止フィルター」を組み合わせることで干渉波を阻止しながら電波を受信できる。(出所:東芝)