開口合成

開口合成とは

開口合成とは、複数の受信機を用いて、あたかも巨大な一つの受信機であるかのように動作させることで、高分解能な情報を取得する技術です。ここで言う「開口」とは、電磁波を受信する素子、すなわち受信機のことを指します。複数の受信機を組み合わせることで、それぞれの受信機が持つ情報を統合し、より詳細な情報を得ることができます。

開口合成の経緯

一般的なアンテナ（電波受信機）の分解能は、その口径に比例し、観測する電波の波長に反比例します。電波の波長は可視光線の波長に比べて非常に長いため、単体の電波望遠鏡では分解能がどうしても低くなってしまいます。この問題を解決するために、1946年、ケンブリッジ大学の天文学者マーティン・ライルらが、複数の電波望遠鏡を干渉計として使用する開口合成の仕組みを考案しました。この功績により、ライルはノーベル物理学賞を受賞しています。

開口合成の仕組み

開口合成の基本的な原理は、複数の受信機が同一の電磁波源から受信した信号の時間差を利用することです。電磁波源から各受信機までの距離がわずかに異なるため、各受信機に電磁波が到達する時間にわずかな差が生じます。2つの受信機を結ぶ直線（基線）の長さが分かっていれば、この到達時間の差から電磁波源の方向を正確に特定できます。基線が長ければ長いほど、電磁波源の方向の変化に対する到達時間の差が大きくなるため、より高い分解能を得ることが可能になります。

逆に、同一の電磁波源からの到達時間の差から基線の長さを精密に計測することも可能です。この性質を利用することで、時間変化に伴う基線の長さの変化を測定し、高度な計測が可能となります。受信機を互いに遠く離して配置するほど、また、同時に使用する受信機の数を増やすほど、分解能と精度が向上します。開口合成の技術は、電波だけでなく、音波や地震波など、さまざまな波にも応用できます。

開口合成を実現するためには、受信機間での到達時間差を厳密に計測することが不可欠であり、正確な計時がこの技術の鍵となっています。

開口合成の応用範囲

開口合成は、その高い分解能から、さまざまな分野で応用されています。代表的なものとしては、合成開口レーダー（SAR）が挙げられます。SARは、電波を使って地表の画像を生成する技術で、地形観測や災害監視などに活用されています。SARでは、人工衛星や航空機に搭載されたレーダーが電波を送信し、地表からの反射波を受信します。その際、開口合成の技術を用いることで、非常に高精細な画像を取得することができます。

開口合成技術は、その開発当初から電波天文学において重要な役割を果たしており、複数の電波望遠鏡を連携させることで、単独の電波望遠鏡では得られない高分解能な観測を可能にしています。特に、数千kmに及ぶ基線を持つVLBI（超長基線電波干渉計）は、遠く離れた電波望遠鏡を連携させることで、非常に高い分解能を得ており、宇宙の構造や天体の運動を詳しく観測するのに不可欠な技術となっています。さらに、地球周回軌道に電波望遠鏡を打ち上げて基線を延長するスペースVLBIも実施されており、より高分解能な観測の可能性が広がっています。

VLBIは、天文学的な観測だけでなく、測量分野でも活用されています。プレートテクトニクスによる大陸の移動や地殻変動などの地表の変化を捉える上で、非常に重要な役割を果たしています。

関連事項

• - 電波望遠鏡
• - 合成開口レーダー
• - 干渉 (物理学)
• - 野辺山宇宙[[電波観測所]]

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