次世代天文台の建設に必要なこと

次世代天文台の建設に必要なこと
チリのベラ C ルービン天文台は、2019 年に半分建設された様子が描かれています。

巨大な新しい望遠鏡や長さ数マイルの粒子加速器のような大きな科学プロジェクトについて聞くとき、それは通常、彼らが成し遂げた大きな科学的発見との関連で語られます。しかし、科学で大きな進歩を遂げる前に、誰かがこれらの大規模な施設を設計し、建設する必要があります。そして、それは、コンクリートを流し込むためだけに、国際協力を結集し、送電線を通し、異常気象に直面することを意味する可能性があります。

光ファイバー回線をかじるネズミから、100度の熱を避けるためのインフレータブルテントまで、科学が現実の世界と出会うと厄介になる可能性があります。私たちは、岩と土の不毛地帯を世界クラスの天文台に変えるために何が必要かを学ぶために、現在および今後の 3 つの大規模科学プロジェクトの代表者に話を聞きました。

新しいものを検出する

多くの大規模施設は既存のプロジェクトを段階的に改善していますが、時には科学がまったく新しい方向に一歩前進することもあります。これは、LIGO ( レーザー干渉計重力波観測所 ) 施設が 2015 年に初めて重力波を検出したときに起こり、この研究により ノーベル物理学賞が受賞され ました。

ワシントン南東部のコロンビア盆地地域にある LIGO ハンフォード天文台の航空写真。

検出を行った施設は、Initial LIGO と呼ばれる最低限のバージョンとして開始されました。これは、 重力波の検出 に必要な検出器の感度を達成できるかどうかをテストするために設計されており、この「基本」バージョンでさえ計画と作業に数十年かかりました。

シラキュース大学の重力波専門家で、この施設の初期バージョンと先進バージョンの両方に取り組んだステファン・バルマー氏は、元の施設の推進力について次のように述べています。それが実現可能であることを証明してください。」

「実際にマシンの電源を入れるとすぐに、イベントが表示され始めました。」

初期の LIGO は 2002 年から 2010 年まで運用されました。その間、重力波は検出されませんでした。しかし、それは必ずしも失敗ではなかった。なぜなら、この天文台は検出を行うために必要な 感度 を達成したからだ。これは多くの人が可能であるかどうか確信していなかった。

「人々がこのすべてについて疑問を抱いていたとしても、それは重力波の存在を信じていなかったからではありません。彼らは、自分たちを見るために必要なパフォーマンスについて懐疑的でした。その意味で、Initial LIGO は成果を上げました」とバルマー氏は説明しました。

そのため、研究者らは施設を改良して Advanced LIGO にするための資金を確保することができ、2008 年に作業が始まりました。改良された検出器により、天文台はほぼ即座に検出を行いました。 「Advanced LIGO のおかげで、私たちは幸運に恵まれました。そして実際にマシンの電源を入れるとすぐに、イベントが表示され始めました。」

適切な場所を選択する

今日の大規模プロジェクトにおける最大の問題の 1 つは、プロジェクトをどこに配置するかです。この種のプロジェクトは通常、大規模な国際協力であるため、計画立案者は、環境に適しており、プロジェクトを支援する意欲のある地方自治体が存在する用地を見つける必要があります。

「それが最近の大きな課題です。一国では、次のフロンティアに必要な規模で必要なことを実際に行うことはできません」と、 平方キロメートルアレイ天文台 の副所長兼プログラムディレクターのジョセフ・マクマリン氏は述べた。 「そのため、こうした国際的な協力が必要なのです。」

南アフリカの SKA-Mid 望遠鏡のアニメーションから撮影した静止画/アーティストの印象。

スクエア キロメートル アレイは、南アフリカと西オーストラリアの 2 か所に建設されたアンテナを含む、近々開発予定の電波天文台です。これらのサイトが選ばれた主な理由は、無線観測における最大の懸念である無線周波数干渉です。携帯電話や ラップトップ など、人間が電波を発しているところではどこでも、この放射線が天文学者が検出しようとしている微弱な信号を妨害する可能性があります。

「私たちがやっていることの課題は、大気のさまざまなスクリーンを通して、そして場合によっては星間物質や銀河間物質を通してさえも、非常に弱い光源を観察し、そして私たちの機器のすべての体系を調べて、それらを校正しようとすることです」その特定の信号を保持できるようにするためです」とマクマリン氏は説明しました。 「追加の送信により、そのような効果が複雑になります。」

問題は、電波干渉のレベルが低い場所は人口がまばらな傾向があり、設置が困難であることです。理論的には、南極のような場所は電波望遠鏡を設置するのに最適な場所ですが、建設と人員配置が困難です。そのような場所では実用的ではありません。

「私たちはよく天文台を建設していると思っていますが、実際には都市を建設しているのです。」

SKA に選ばれた 2 つのサイトには、パートナー機関がホストする望遠鏡がすでに設置されているため、既存のインフラストラクチャを備えているという利点があります。望遠鏡を適切な場所にクラスタリングすると、道路の建設や送電線や水道の敷設などの要件に関して負荷を分散するのに役立ちます。

そして、建設に必要な労働者のための宿泊施設や食堂などの建物の建設を始める前に、これらすべてが必要です。 「私たちはよく天文台を建設していると思っていますが、実際には都市を建設しているのです」とマクマリン氏は言う。

負荷を分散する

研究者らがチリのセロ・パチョンと呼ばれる山に建設中の ベラ・ルービン天文台 の計画を立てていたとき、同様の懸念を抱いていた。彼らは、観測のために雲量が低く、夜がよく晴れている場所を必要としていましたが、同時に適切なインフラストラクチャを備えた場所も求めていました。

彼らが選んだ山には、ジェミニと SOAR という他の 2 つの大型望遠鏡がすでに設置されており、さらにその隣の山には他の小型の望遠鏡などが設置されています。

ベラ・ルービン天文台はチリのセロ・パチョンにあります。

「私たちは非常に遠隔地にいますが、孤立しているわけではありません」とルービン天文台の望遠鏡およびサイトプロジェクトマネージャーのジェフ・バー氏は説明しました。 「私たちには隣人がいます。隣人はすでに建設したインフラを必要としていました。」

これは、建設作業員や設備が山に登ることを可能にする非常に重要な道路と同様に、電力と水がすでに近くで利用可能であることを意味しました。アンテナベースの放送システムである既存の通信インフラもありましたが、ルービンが毎晩生成する膨大な量のデータには十分ではありませんでした。

そこでルービンは、通信用の光ファイバー回線を敷設することに同意し、それが自社の天文台だけでなく、山の他の天文台にもサービスを提供できるようになりました。これらの天文台は、AURA (Association of Universities for Research in Astronomy) と呼ばれる同じコンソーシアムの一部であるため、相互のインフラストラクチャを共有しています。

「新しい天文台には必ず行われる一種の同意がある」とバー氏は語った。 「これまで存在しなかったものを提供するので、登山に必要なコストと投資を共同で負担することになります。」

基礎を築く

光ファイバー回線を敷設するのは簡単なことだろうと想像するかもしれません。多くの都市部で一般家庭にファイバー接続を提供する企業が増えているのとそれほど変わりません。ただし、このような遠隔地に建物を建てるにはいくつかの課題があります。

谷の向こう側には既存の電線が電柱に吊り下げられていたため、チームは同じ電柱を使ってファイバー線を吊り下げることができました。しかし、ルービンと他の天文台用に分割された後、ラインはほとんどが地下に行かなければなりません。

乗組員は、過酷な地形にベラ C. ルービン天文台に光ファイバー ケーブルを敷設します。

「あの山での作業での課題の 1 つは、6 インチ掘り始めるとすぐに硬い岩になってしまうことです。非常に堅実だ」とバー氏は語った。 「どんなサイズの穴を開けるにも、実際に爆破する必要があります。」

そのため削岩作業が困難になるため、ラインをできるだけ深く敷設し、その上に岩を盛り付けることがよくあります。この岩はある程度の保護を提供しますが、ケーブルは依然として地元のげっ歯類の集団に対して脆弱であり、げっ歯類は定期的にケーブルを噛みます。 「私たちは常に害虫駆除サービスを行っていますが、それでも糸が噛まれたら戻って修理しなければなりません。」

バー氏は、このような野生環境での労働には、お腹を空かせたげっ歯類がつきものであると述べた。展望台のすぐ周りを除けば、ほとんどただの山です。」

天文台は、この地域に生息する一部の絶滅危惧種のサボテンやビスカチャ、希少な(そして非常にかわいい)ウサギに似た齧歯動物の生息地など、環境への影響を最小限に抑えるためのガイドラインに従って活動している。

遺産への影響

ただし、保存への懸念は環境問題だけに当てはまるわけではありません。天文台として使用されている場所の中には、人類にとって重要な遺産も含まれています。たとえば、西オーストラリア州の SKA サイトはワジャリ カントリーにあります。山路ワジャリ族は望遠鏡が建設されている土地の伝統的な所有者であるため、同団体はワジャリ族と協力して文化遺産の保護を徹底しており、起工前にワジャリ族の文化遺産 モニター による現地視察や継続的な監視を実施している。建設中。

2022年11月5日、新しいワジャリILUAの祝賀会に出席したミナング土地委員会メンバーのジュリー・ライアン氏とCSIROのレベッカ・ウィードン氏。

「彼らは私たちの同僚であり隣人であり、基本的なレベルでチームの一員です。彼らの多くは私たちと一緒に天文台の建設に参加しています」とマクマリン氏は語った。 「彼らには天体観測の強力な歴史と伝統もあります。したがって、使用するさまざまなテクニックにわたってこれらのものを結び付けることになります。」

オーストラリアと南アフリカの両施設の長期的な影響も考慮されており、これらの施設は最終的には廃止され、土地を元の状態に戻すことができるように設計されている。

「私たちはこれを50年間の天文台として計画しています」とマクマリン氏は語った。 「だから、そこに行って、建設して、研究して、そして廃止するのです。そのエリアを元の状態に戻します。」

困難な環境での建築

西オーストラリア州の華氏 100 度を超える気温や、セロ パチョンの強風と地震の危険性など、天文台を建設したい場所が建設を歓迎していないことがよくあります。

チリでは冬季に雪が降ると山へのアクセスが数週間遮断されることもあり、アクセス可能な場合でも、他の地域よりも作業に時間がかかる状況となっている。

パチョン山脈に雪が積もると、一度に数週間にわたって建設が停止する可能性があります。

バー氏は「物事は期待ほど早くは進まないことを理解する必要がある」と述べた。 「技術的な仕事をしようとするのは敵対的で歓迎されない環境です。実際にデザインするすべてにおいて、それを考慮する必要があります。」

「皮肉なことに、検出器の最大の部分はまったく何もありません。」

オーストラリアでは、SKA チームはさまざまなサイトに 100,000 個を超えるアンテナを設置する必要があるため、できる限りオフサイトで設置を準備することで高温と高い紫外線を管理しています。彼らは現場に到着すると、作業中に雨風から身を守るために特別に設計された空調付きの膨張式テントを使用します。

しかし、それほど過酷ではない場所にも課題はあります。次世代の重力波検出器では、設計者は長さ 40 キロメートルの非常に真っ直ぐで非常に平らな管を走らせる必要があります。

「皮肉なことに、検出器の最大の部分がまったく何もないのです」とバルマー氏は言う。 「これは長さ40キロメートルの真空管なので、それをどこかに取り付ける必要があります。」

米国で計画されている検出器の場合、十分なスペースが必要なため、主に地上で検出器を実行することが考えられています。しかし、ヨーロッパでは別の重力波検出器も計画されており、地上の検出器を稼働させるのに十分な地上の土地がないため、おそらく地下に探知する必要があるだろう。これにより建設費用が増加しますが、メンテナンスもはるかに複雑になります。

「私たちが求めているのはシンプルさです」とバルマー氏は語った。 「これらの検出器を構築するのは非常に複雑です。シンプルに保つことができるものはすべて、より良いものになります。」

人間的要因

機械や設備を現場に運ぶことは別のことですが、世界中にあらゆるツールがあるとしても、建設は依然として人間が行う必要があります。ルービンでは、建設中は 100 人を超える作業員のチームが毎日現場に立つこともあります。 「労働力、つまり人的要因への負担は、他の何よりも困難であると思います」とバー氏は語った。 「本当に厳しい環境ですね。」

作業員は、山の頂上で寒く、風が強く、埃っぽく、高地という条件と闘わなければならないだけでなく、現場まで移動するのに数時間かかるため、多くの人は現場から 1 日あたり 12 時間を費やします。帰宅、午前6時に出発 「私にとって本当に素晴らしいのは人々です」とバー氏は語った。 「彼らはその環境で働き、難しいことを成し遂げることができます。」

クレーンがトップエンド アセンブリ (TEA) をベラ C. ルービン天文台に持ち上げます。

この種のプロジェクトは、構想から設計、建設、天文台の稼働に至るまでに数十年かかるため、当初建設を推し進めた人たちが科学を始める頃には退職している可能性が十分にあります。しかし、それは必ずしも問題ではありません。前の世代がツールを構築し、キャリアを始めたばかりの新しい世代の科学者に引き継いでいるからです。

バルマー氏によると、未来に対する義務感は、新しい重力波検出器を作る動機の一部だが、どうすればそのようなことが実現できるのかを考える楽しみもあるという。

「これはある意味、次世代の物理学者への奉仕です。」

「これはある意味、次世代の物理学者への奉仕です」とバルマー氏は語った。 「しかし、また、座ってこれらの機械で何ができるかを見てみると、最初の星に至るまですべてのブラックホールを見ることができる何かを構築でき、これらの銀河にある恒星サイズの天体からの現象を観察できることもわかります。ウェッブ望遠鏡は問題を解決するのに苦労しています。それをやろうとしないのはほとんど犯罪です。」

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