音響光学型電波分光計

音響光学型電波分光計（AOS）とは

音響光学型電波分光計（Acousto-Optical Spectrometer, AOS）は、電波天文学において、電波のスペクトルを分析するために使用される装置です。音響光学素子とレーザー光を用いることで、回折効果を利用して電波のスペクトル情報を取得します。かつては高分解能かつ広帯域での観測を実現する上で最も有効な手段であり、電波望遠鏡による宇宙電波観測に広く利用されていました。

しかし、コンピュータ技術の進歩に伴い、AOSは徐々にデジタル分光計へと置き換えられています。

AOSの歴史

AOSは、元々オーストラリアで太陽電波観測のために開発が開始された技術です。初期のAOSは、回折したレーザー光を連続的にフィルムに焼き付けることでスペクトルの変化を観測していました。

日本では、1975年頃から甲斐敬造氏らが実験を行い、その後、海部宣男氏らが6mミリ波電波望遠鏡での宇宙電波観測のために、世界初の宇宙電波観測用AOSを開発しました。当時のミリ波観測では、周波数を少しずつずらしたフィルタ群にアンプを接続する「フィルタバンク型電波分光計」が主流でしたが、フィルタバンク型は製造にコストと手間がかかり、チャンネル数を増やすことに限界がありました。そのため、より高精度な観測のためには、AOSが不可欠でした。

1976年、野辺山太陽電波観測所にて実験されていたAOSに着想を得て、256チャンネルのAOSが製作されました。その後、512チャンネル、1,700チャンネルへと発展し、1982年の野辺山45m電波望遠鏡建設時には、合計24,000チャンネルのAOSが導入されました。これにより、星間分子サーベイを中心とした数多くの成果が得られました。

その後、VLA（Very Large Array）やグリーンバンク天文台の大型電波望遠鏡など、宇宙電波観測に広く利用されましたが、コンピュータ技術の進歩に伴い、デジタル分光計に置き換えられるようになりました。野辺山45m電波望遠鏡のAOSも、マルチビーム受信機の導入以降、デジタル分光計に切り替わり、2016年前半に共同観測での利用を停止し、廃止されました。

AOSの仕組み

AOSは、電波望遠鏡の受信機から送られてきた信号を、まず周波数変換を行います。その後、電気信号を音響光学偏向素子に送ります。偏向素子の入り口には圧電素子があり、電気信号をここで超音波に変換します。超音波は音響光学偏向素子の内部を疎密波として伝わります。

この疎密波に単色レーザー光（野辺山ではHe-Neレーザーを使用）を当てると、レーザー光は回折します。回折した光は光学系を通って、ラインセンサー（精密に間隔が調整されたフォトダイオード）によって検出されます。この一連の仕組みによって、光学的な変換によりフーリエ解析が直接的に行われます。

AOSの技術的課題

AOSには、基準レーザー光の調整、光学系の調整、フォトダイオードの調整など、高度な技術が必要となるという課題があります。また、装置を設置する部屋の温度や湿度も厳密に管理する必要があり、野辺山では20℃±0.1℃以下、湿度20%以下に保たれていました。このような理由から、装置内部の一般公開は行われていませんでしたが、野辺山開設時に科学雑誌からの取材によって写真撮影が許可されました。

アナログ型の装置であるため、微調整が重要であり、光学系では0.1μm以下の精度での調整が必要とされました。圧電素子も帯域全体でリニアリティ（直線性）が保証されるわけではないため、その調整も不可欠です。近年では、圧電素子のリニアリティを向上させたり、補正回路を工夫したりすることで電気回路系の調整は容易になってきています。しかしながら、機械精度を限界まで高めるためには、様々な工夫が必要とされました。

まとめ

AOSは、かつて電波天文学において高分解能かつ広帯域な観測を実現する上で不可欠な装置でした。しかし、コンピュータ技術の発展に伴い、より高性能で扱いやすいデジタル分光計にその役割を譲りつつあります。AOSの開発と運用を通じて培われた技術は、今後の電波天文学の発展に貢献していくことでしょう。

関連項目

電波望遠鏡
FX型デジタル分光相関器

開発機関

アメリカ国立[[電波天文台]]
国立天文台
野辺山宇宙[[電波観測所]]

開発協力

精工舎

外部リンク

国立天文台
野辺山45mミリ波望遠鏡
* 東大天文センターVSTサイト

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