Radio astronomy - denpatenmongaku (English spelling)

Japanese: 電波天文学 - でんぱてんもんがく（英語表記）radio astronomy

A branch of astronomy that observes and studies celestial bodies and the universe using radio waves. Radio waves from space, discovered by Jansky in 1931, have played a major role in significantly redrawing our view of the universe as observations have progressed since then. Radio telescopes have been used to discover new celestial bodies and new phenomena that could not be seen with optical observations until then. Essentially, visible light allows us to see the relatively high temperatures of the universe, over several thousand degrees, while radio waves allow us to observe the low temperatures of the universe. By combining the two, it has become possible to grasp the overall movement and circulation of matter in the universe.

Of the various electromagnetic waves that rain down on the Earth from space, radio waves, like visible light, can reach the Earth by passing through the Earth's atmosphere. For this reason, huge and complex radio telescope systems have been developed as "windows to the universe" that enable observation of the universe using observation equipment placed on the ground. Currently, radio astronomy, along with visible light astronomy, is one of the main pillars supporting space research.

Radio wave observations from the ground cover a wide range, from wavelengths of about 30 meters to submillimeter waves of 0.3 millimeters. Radio waves with longer wavelengths than this are reflected by the ionosphere at the top of the atmosphere, so it is not possible to see the universe in this wavelength range. On the other hand, millimeter waves with wavelengths shorter than 1 centimeter are strongly absorbed by molecules in the atmosphere, mainly water vapor. Electromagnetic waves with wavelengths even shorter than 1 millimeter are often called submillimeter waves, but millimeter and submillimeter wave observations are aimed at dry high altitudes to avoid water vapor.

[Nobuo Kaifu July 19, 2017]

History of Radio Astronomy

The history of the development of radio astronomy can be seen to overlap with the history of the development of radio engineering. In 1931, Jansky, an engineer at Bell Labs in the United States, accidentally discovered cosmic radio waves while studying the radio waves from lightning that interfered with radio communication. Jansky and Grote Reber (1911-2002), a self-taught engineer who pursued observations of cosmic radio waves, discovered that radio waves are stronger along the Milky Way, and that the longer the wavelength, the stronger the radiation. This could not be explained with the knowledge of astronomy and physics at the time, and it was not until the 1950s that Ginzburg and others in the Soviet Union revealed that this was a phenomenon called synchrotron radiation (non-thermal radiation) caused by the interaction of high-energy particles in space (cosmic rays) and magnetic fields.

Synchrotron radiation indicates the existence of explosive phenomena in space that produce high-energy particles. Research into synchrotron radiation has led to the discovery and elucidation of cosmic phenomena that release enormous amounts of energy, such as supernova explosions, radio galaxies, and quasars. Synchrotron radiation is generally stronger at longer wavelengths, making it an ideal observation target for early radio astronomy, where short wavelengths were technically difficult to handle. Long-wavelength radio waves can be focused with a wire mesh or wire-stretched mirror with fine mesh compared to the wavelength, so there are fewer difficulties in terms of accuracy, and it is easy to make radio wave detectors for long wavelengths. On the other hand, the problem of the ability to distinguish the structure of an object (resolution) decreasing with longer wavelengths was solved by the invention of the radio interferometer by John Gatenby Bolton (1922-1993) of Australia and Ryle of England.

In 1951, the Americans Purcell and Harold Irving Ewen (1922-2015) discovered radio waves with a wavelength of 21 centimeters (the so-called 21 cm waves) from hydrogen gas clouds. This had been predicted by the Dutchman van de Hulst in 1944. It was the first line spectrum discovered in cosmic radio waves, and was a groundbreaking discovery in that it made it possible to observe hydrogen atoms as a fundamental component of the universe. Extensive observations and research of 21 cm waves have provided important insights, such as the size of the Milky Way galaxy's spiral, various galaxies outside the Milky Way galaxy, and the interactions between them.

With the development of radio engineering and mechanical engineering, observations expanded to shorter wavelength bands. In the 1960s, many paraboloid radio telescopes with diameters of several tens of meters were built, such as the 76-meter telescope at Jodrell Bank in the UK and the 64-meter telescope at Parkes in Australia, ushering in a golden age of radio discoveries. Discoveries include the discovery of the radio galaxy (1960), quasars (1963), 3K cosmic blackbody radiation (cosmic background radiation) (1965), pulsars (1967), and various interstellar molecules (1968- ). In particular, the discovery of many interstellar molecule line spectra in the millimeter wave region with wavelengths of 1 cm to 1 mm greatly promoted the development of observations at millimeter waves, the shortest wavelength of radio waves. By studying interstellar molecules, which are widely distributed in dark nebulae and the outer atmospheres of stars, using their radio spectral lines, new developments were made in a wide range of research fields, such as the formation and life cycle of stars and the structure of the Milky Way.

In the 1980s, with the introduction of cutting-edge modern technologies such as semiconductor engineering, precision engineering, and large computers, huge and precise single paraboloid telescopes and interferometers for millimeter wave observations were realized in Japan (45-meter millimeter wave telescope and millimeter wave interferometer at the National Astronomical Observatory of Japan at Nobeyama), the United States (Caltech millimeter wave interferometer), and Europe (Max Planck Institute 100-meter telescope in Germany, millimeter wave interferometer and 30-meter millimeter wave telescope at the Institute of Millimeter Astronomy, etc.), and the results were competed. Furthermore, with the advent of high-speed computers, radio interferometers have developed into radio photographs (called aperture synthesis interferometers) that can draw high-resolution radio images of celestial bodies. In the early days, aperture synthesis interferometers were mainly effective at long wavelengths, and advanced the elucidation of high-energy phenomena such as cosmic jets (jet-like radio wave sources) emitted by distant galactic nuclei. Subsequent technological advances have led to full-scale aperture synthesis interferometers in operation at short wavelengths of millimeter and submillimeter waves.

[Nobuo Kaifu July 19, 2017]

Current status of radio astronomy

Currently, the research field of radio astronomy can be roughly divided into the following categories:

(1) High Energy Radio Astronomy This field studies high energy emission phenomena in the universe, mainly using continuous wave radio waves generated by synchrotron radiation, such as supernovae, pulsars, galactic magnetic fields, galactic nuclei and radio galaxies, quasars, and cosmic jets. Cosmic jets in particular are thought to be emitted from the vicinity of massive black holes, and are an extremely interesting phenomenon.

(2) Cosmic Radio Spectroscopy Using radio spectral lines from interstellar molecules and atoms, we study mainly low-temperature nebulae and the formation of stars and planetary systems within them, the life cycle of stars, the structure and motion of the Milky Way, star formation in distant extrasolar galaxies, and the early universe. The rich amount of information that is characteristic of spectral lines has opened up a wide range of research fields related to almost all cosmic phenomena. In particular, the process of star formation is a fundamental element that leads to elucidating the history of the Milky Way and various galaxies, and observations are being conducted even in extremely distant galaxies. As telescopes become more powerful, research into the formation of stars and the associated process of planetary systems has also been remarkable.

(3) Solar radio astronomy Research into solar radio astronomy has progressed since early on, due to the strong radio wave intensity observed from the sun, which is extremely close to the earth, and the impact of sunspot eruptions on radio communication. The central issue is elucidating the mechanism of solar eruptions (flares) involving sunspots. There are many commonalities with high-energy phenomena in space, such as particle acceleration and the workings of magnetic fields, so solar radio observations are also important for a basic understanding of high-energy phenomena. Dedicated observation equipment (mainly interferometer-type) is used for solar radio observations. In Japan, the solar radio interferometer (radioheliograph) built by the National Astronomical Observatory of Japan in Nobeyama has been operated internationally by the Nagoya University Institute for Global Environmental Studies since 2015.

(4) Radar astronomy: A large reflector is used to emit a powerful radio beam toward a nearby celestial body, and the reflected echo is captured and studied. Only celestial bodies within the solar system are studied using this method, from Mercury to Saturn, and the surface topography and rotation speed of Venus have been measured. For Venus, radar observations using a probe placed in orbit around the planet have produced a more detailed map of the topography.

(5) VLBI Astronomy VLBI (very long baseline interferometer) is a radio interferometer that connects large radio telescopes around the world with high-performance atomic clocks, recording devices (tape recorders, disks, etc.), microwaves, etc. Although it is an advanced version of radio interferometers, it has achieved a dramatically high resolution of less than one thousandth of a second in angle by connecting far-flung antennas without cables. It is effective in observing fine structures such as the center of cosmic jets and the nuclei of star formation, and a VLBI network that covers the whole world is active mainly in the United States, Europe, and Japan. Japan was the first country in the world to achieve space-based VLBI, linking the paraboloid mirror "Haruka" launched into space with radio telescopes on Earth. The VERA Project is also active in creating a map of the Milky Way Galaxy by triangulating the distances to distant stars using a high-precision VLBI network linking the entire country of Japan. Japan has also formed the East Asia VLBI Network by linking with the Korean VLBI Network (KVN), a millimeter-wave VLBI network, and others.

(6) Millimeter and submillimeter wave astronomy Millimeter wave astronomy, which requires high-precision technology, has developed through observations of spectral lines of various interstellar molecules and millimeter and submillimeter thermal radiation from solid particles (dust). Japan, along with the United States and Europe, is at the center of this field. The current field of interest is the observation of submillimeter waves (wavelengths of 0.3 to 1 mm), which have shorter wavelengths than millimeter waves, and is an area that fills the gap between visible light and radio waves. Although difficult to observe on the ground, some wavelengths are possible in dry highlands, and there is a global competition to develop receiving devices that require advanced semiconductor and electronic technology. ALMA (Atacama Large Millimeter and Submillimeter Array) was built in the highlands of Chile by a joint effort of Japan, the United States, and Europe, and observations began in 2013, with remarkable results. It is important that submillimeter waves will enable observation of not only interstellar molecules but also atomic spectral lines and solid particles, which will advance research on the formation of extrasolar planets and early galaxies.

[Nobuo Kaifu July 19, 2017]

"From the Galaxy to the Universe" by Kaifu Norio (1972, Shin Nihon Shuppansha)" ▽ "Building a Radio Telescope" by Kaifu Norio (1986, Otsuki Shoten)" ▽ "Space Radio Astronomy" by Akabane Kenji, Kaifu Norio, and Tahara Hiroto (1988/Reprinted in 2012, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "Observation of the Universe 2: Radio Astronomy" edited by Nakai Naomasa et al., Modern Astronomy Series 16 (2009, Nippon Hyoronsha)"

Nobeyama Radio Observatory 45m Radio Telescope
With an antenna diameter of 45m, it is the world's largest radio telescope capable of observing millimeter waves. Total weight is 700t. Nobeyama Radio Observatory Minamimaki Village, Minamisaku District, Nagano Prefecture ©National Astronomical Observatory of Japan ">

Nobeyama Radio Observatory 45m Radio Telescope

Nobeyama Radio Observatory Millimeter Wave Interferometer
The radio interferometer is made up of six 10m diameter antennas connected by cables (four of them are shown in the photo). It has the same resolution as a radio telescope with a maximum diameter of 600m. Nobeyama Radio Observatory Minamimaki Village, Minamisaku District, Nagano Prefecture ©National Astronomical Observatory of Japan ">

Nobeyama Radio Observatory Millimeter Wave Interferometer

Nobeyama Radioheliograph
A radio telescope for observing the sun. 84 parabolic antennas, each 80 cm in diameter, form a radio interferometer with a diameter equivalent to 500 m. Minamimaki Village, Minamisaku District, Nagano Prefecture © National Astronomical Observatory of Japan">

Nobeyama Radioheliograph

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
A large radio telescope located in the Atacama Desert at an altitude of 5,000m in northern Chile. 66 parabolic antennas are moved and deployed according to the purpose of observation, and are linked together to perform observations as a single radio telescope. Eastern suburbs of San Pedro de Atacama, Chile © Clem & Adri Bacri-Normier (wingsforscience.com) / ESO ">

ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

電波によって天体・宇宙を観測し研究する、天文学の一分野。1931年にジャンスキーによって発見された宇宙からの電波は、その後の観測の発展につれて、宇宙像を大きく塗り替える役割を果たした。それまでの光学観測では見ることができなかった新しい天体や新しい現象が電波望遠鏡によって次々と発見されたからである。基本的には、可視光では数千度以上の比較的高温の宇宙が見えるのに対し、電波では低温の宇宙が観察できる。この両者の総合によって、宇宙における物質の運動・循環を全体的に把握することが可能になった。

　宇宙から地球に降り注ぐ各種の電磁波のうち、電波は可視光と同様、地球大気を通り抜けて地上に達することができる。そのため地上に置かれた観測装置によって宇宙を観測することが可能な「宇宙への窓」として、巨大で複雑な電波望遠鏡システムが発達した。現在、電波天文学は、可視光天文学と並んで宇宙研究を支える主柱となっている。

　地上からの電波観測は、およそ波長30メートルから0.3ミリメートルのサブミリ波まで、広い範囲にわたって行われている。これよりも長波長側の電波は大気上層部の電離層に跳ね返されるため、その波長域で宇宙を見ることはできない。一方、1センチメートルよりも短波長のミリ波では、大気中の分子、おもに水蒸気のために吸収が強まる。波長1ミリメートルよりもさらに短波長側の電磁波をサブミリ波とよぶことが多いが、ミリ波・サブミリ波の観測では、水蒸気を避けて乾燥高地での観測が志向されている。

［海部宣男　2017年7月19日］

電波天文学の歴史

電波天文学の発達の歴史は、ほぼ電波工学の発達の歴史に重ね合わせてみることができる。アメリカのベル研究所の技師ジャンスキーが宇宙電波を偶然に発見（1931）したのは、電波通信の妨害となる雷の電波を研究していたときだった。ジャンスキーと、独学で宇宙電波の観測を進めた工学者リーバーGrote Reber（1911―2002）によって、電波は天の川に沿って強く、かつ長波長ほど強放射されているという事実がつきとめられた。これは当時の天文学および物理学の知識からは説明がつかず、1950年代になってから、ソ連のギンツブルクらによって、宇宙の高エネルギー粒子（宇宙線）と磁場との作用によるシンクロトロン放射（非熱的放射）とよばれる現象であることが明らかにされた。

　シンクロトロン放射は、高エネルギー粒子を生み出す宇宙の爆発的現象の存在を物語る。その研究は、超新星爆発、電波銀河、クエーサーといった莫大(ばくだい)なエネルギーを解放する宇宙現象の発見や解明へとつながっていった。またシンクロトロン放射は一般に長波長ほど強いので、短波長の扱いが技術的に困難であった初期の電波天文学には好適な観測対象だった。長波長の電波は波長に比べて目の小さな金網や針金を張った反射鏡で集光ができるため、精度上の困難が少なく、電波の検出器も長波長では容易である。一方、長波長ほど対象の構造を見分ける能力（分解能）が下がる問題は、オーストラリアのボルトンJohn Gatenby Bolton（1922―1993）やイギリスのライルらによる電波干渉計の発明によって、解決に向かった。

　1951年にアメリカのパーセルとユーインHarold Irving Ewen（1922―2015）によって、水素原子ガス雲からの波長21センチメートルの電波（いわゆる21センチ波）が発見された。これはオランダのファン・デ・フルストが1944年に予言したものである。宇宙電波として最初に発見された線スペクトルで、かつ宇宙の基本的構成要素としての水素原子の観測を可能にした点で画期的な発見であった。21センチ波の大々的な観測・研究によって、銀河系の渦の大きさ、銀河系外におけるさまざまな銀河やその間の相互作用のようすなど、重要な知見がもたらされた。

　電波工学、機械工学の発達とともに、観測は短い波長帯域へと広がっていった。1960年代にはイギリス・ジョドレルバンクの76メートル、オーストラリア・パークスの64メートルなど、直径数十メートルのパラボロイド型電波望遠鏡が数多く建設され、電波による発見の黄金時代となった。電波銀河の発見（1960）、クエーサーの発見（1963）、3K宇宙黒体放射（宇宙背景放射）の発見（1965）、パルサーの発見（1967）、多彩な星間分子の発見（1968～　）などである。ことに星間分子の線スペクトルが波長1センチメートル～1ミリメートルのミリ波領域で多数発見されたことは、電波の最短波長であるミリ波での観測の発展を大きく促した。暗黒星雲や星の外層大気に広く分布する星間分子をその電波スペクトル線で研究することによって、星の形成とその一生、銀河系の構造など多岐にわたる研究領域での新たな発展が広がっていったからである。

　1980年代に入ると、半導体工学、精密工学、大型コンピュータなど現代の第一線の技術の投入によって、ミリ波観測のための巨大で精密な単一パラボロイド望遠鏡や干渉計が、日本（国立天文台野辺山(のべやま)の45メートルミリ波望遠鏡とミリ波干渉計）、アメリカ（カリフォルニア工科大学のミリ波干渉計）、ヨーロッパ（ドイツのマックス・プランク研究所100メートル望遠鏡、ミリ波天文学研究所のミリ波干渉計と30メートルミリ波望遠鏡など）で実現し、その成果が競われた。また電波干渉計は、高速コンピュータの登場によって天体の電波画像を高分解能で描き出す電波写真儀（開口合成干渉計とよばれる）へと発展した。開口合成干渉計は、初期にはおもに長波長側で威力を発揮し、遠方の銀河中心核が放出する宇宙ジェット（ジェット状の電波源）など、高エネルギー現象の解明を進めた。その後の技術的な進歩により、短波長のミリ波・サブミリ波でも本格的な開口合成干渉計が活動している。

［海部宣男　2017年7月19日］

電波天文学の現状

電波天文学の研究分野は、現在およそ以下のように大別できよう。

(1)高エネルギー電波天文学　おもにシンクロトロン放射による連続波電波により、宇宙における高エネルギー放出現象を研究する。超新星、パルサー、銀河磁場、銀河中心核と電波銀河、クエーサーおよび宇宙ジェットなどである。ことに宇宙ジェットは、巨大ブラック・ホール周辺から放たれるものと考えられ、きわめて興味深い現象である。

(2)宇宙電波分光学　星間分子や原子の電波スペクトル線により、おもに低温の星雲やその中での恒星や惑星系の形成、星の一生、銀河系の構造・運動、遠方の系外銀河や宇宙初期の星形成などを研究する。スペクトル線特有の豊富な情報量によって、ほとんどすべての宇宙現象に関連して多岐にわたる研究分野が開けている。とくに星の形成過程は銀河系およびさまざまな銀河の歴史の解明につながる基本的要素であり、非常な遠方の銀河にまで観測が進められている。望遠鏡の高性能化とともに、恒星の形成とそれに伴う惑星系の形成過程の研究も目覚ましい。

(3)太陽電波天文学　太陽は地球にきわめて近いため観測される電波強度が強く、また黒点爆発に伴う電波通信への影響などもあって、早くから研究が進んだ。黒点が関与する太陽面爆発（フレア）の機構の解明がその中心課題である。粒子の加速、磁場の働きなど宇宙における高エネルギー現象と共通する部分も多いので、高エネルギー現象の基礎的理解にも重要である。太陽電波観測には専用の観測装置（おもに干渉計方式）が用いられる。日本では国立天文台が野辺山に建設した太陽電波干渉計（電波ヘリオグラフ）が、2015年から名古屋大学地球環境研究所によって国際運用されている。

(4)レーダー天文学　大型反射鏡を用いて強力な電波ビームを近くの天体に向けて放射し、反射してくるエコーをとらえて研究する。太陽系内の天体のみが対象で、水星から土星までがこの方法で調べられ、金星の表面地形や自転速度などが測られた。金星では、金星周回軌道に投入した探査機を用いたレーダー観測により、さらに詳しい地形図がつくられている。

(5)VLBI天文学　地球上各地の大型電波望遠鏡を高性能の原子時計と記録装置（テープレコーダー、ディスクなど）やマイクロ波などで結んだ電波干渉計が、VLBI（very long baseline interferometer＝超長基線電波干渉計）である。電波干渉計の発展型ではあるが、遠く離れたアンテナ間をケーブルなしで結ぶことで地球全体を望遠鏡とし、角度で1秒の1000分の1以下という飛躍的な超高分解能を達成した。宇宙ジェットの中心部、星の形成の核などの微細構造の観測に威力を発揮し、全世界を包むVLBIネットワークがアメリカ、ヨーロッパ、日本を中心に活動している。日本は宇宙に打ち上げたパラボロイド鏡「はるか」と地上の電波望遠鏡とを結ぶ宇宙VLBIを世界で初めて実現し、また日本全土を結んで高精度化したVLBI網で遠方の恒星までの距離を三角測量して銀河系の地図をつくるVERA(ベラ)プロジェクトが活動するとともに、韓国のミリ波VLBI網KVN（Korean VLBI Network）などと結んで、東アジアVLBIネットワークを形成している。

(6)ミリ波サブミリ波天文学　各種の星間分子のスペクトル線、および固体微粒子（ダスト）によるミリ波・サブミリ波熱放射を中心とする観測で、高精度技術を要するミリ波天文学が発展した。日本は、アメリカ、ヨーロッパとともにその中心的存在である。現在注目の分野は、ミリ波より波長が短いサブミリ波（波長0.3～1ミリメートル）の観測で、可視光と電波の間のギャップを埋める領域である。地上では困難ながら乾燥高地において一部の波長で観測可能であり、高度な半導体・電子技術を要する受信装置の開発が世界的に競われている。日本、アメリカ、ヨーロッパ合同でチリの高地にALMA（アルマ。アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計）が建設され、2013年から観測が開始されて目覚ましい成果をあげている。サブミリ波では、星間分子だけでなく、原子のスペクトル線や固体微粒子の観測が可能になることは重要で、太陽系外惑星の形成や初期銀河形成などの研究が進むであろう。

［海部宣男　2017年7月19日］

『海部宣男著『銀河から宇宙へ』（1972・新日本出版社）』▽『海部宣男著『電波望遠鏡をつくる』（1986・大月書店）』▽『赤羽賢司・海部宣男・田原博人著『宇宙電波天文学』（1988／復刊・2012・共立出版）』▽『中井直正他編『宇宙の観測2　電波天文学』シリーズ現代の天文学16（2009・日本評論社）』

野辺山宇宙電波観測所45m電波望遠鏡

野辺山宇宙電波観測所ミリ波干渉計

野辺山電波ヘリオグラフ

ALMA（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計）
チリ北部、標高5000mのアタカマ砂漠にある大型電波望遠鏡。66基のパラボラアンテナを観測目的に応じて移動展開し、連結して一つの電波望遠鏡として観測を行う。チリ　サン・ペドロ・デ・アタカマ東郊©Clem＆Adri Bacri-Normier（wingsforscience.com）／ESO">

ALMA（アタカマ大型ミリ波サブミリ波…

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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