2020年にプエルトリコのアレシボ天文台の皿が崩壊したとき、天文学者たちは強力な電波望遠鏡と、小惑星や他の惑星天体の表面をマッピングするためのユニークなレーダー装置を失った。幸運なことに、新しい次世代レーダーシステムであるngRADARが開発中であり、最終的にはウェストバージニア州の100メートル（328フィート）のグリーンバンク望遠鏡（GBT）に設置される予定である。これにより、小惑星を追跡し、天球の85％を観測することが可能になる。また、彗星、衛星、そして太陽系内の惑星を研究することもできる。
「現在、高出力の惑星レーダーを実施できる施設は、NASAの深宇宙ネットワークの一部である70メートル（230フィート）のゴールドストーンアンテナだけです」と、ngRADARのプロジェクトディレクターであり、国立電波天文台のレーダー部門長であるPatrick Taylor氏は語った。「我々は数年前から次世代レーダーシステムの開発プロセスを開始していましたが、アレシボの喪失により、このプロジェクトの重要性はさらに増しています」。
惑星レーダーは、小惑星、彗星、惑星、衛星の表面や構成に関する非常に詳細な情報を明らかにすることができる。ngRADARシステムは、これらの天体に関する前例のないデータを提供する可能性がある。実際、GBTでの低出力プロトタイプによる最近のテストでは、地球から撮影された中で最も高解像度の惑星レーダー画像がいくつか得られた。しかし、新システムの目玉は、地球近傍の小惑星や彗星を探し出し、それらが地球に与える危険性を評価することである。
「レーダーはこれらの小惑星や彗星の軌道を決定する上で非常に強力です」と、Taylor氏はUniverse Todayとのインタビューで述べた。「新しいシステムは非常に正確なデータを提供し、これらの小天体が将来どこにいるかを予測することができます。次世代レーダーシステムの最も重要な用途の一つは、地球近傍の小惑星や彗星を追跡し、それらが将来地球に与える危険性を評価することです。」
レーダーフラッシュライト
通常、電波望遠鏡は遠くの星、銀河、そしてブラックホールや冷たい暗い天体などのエネルギッシュな天文オブジェクトからの弱い光を電波の形で集める。電波望遠鏡は可視光望遠鏡のように写真を撮るわけではないが、検出された電波信号は増幅され、分析され、画像を作成するためのデータに変換される。
しかし、電波望遠鏡は太陽系内の惑星天体に電波を送信して反射させることもできる。これを惑星レーダーまたは太陽系レーダーと呼ぶ。
惑星レーダーとは何か、そしてどのように機能するのか？
「基本的には、我々は電波で作動する懐中電灯を持っているようなものです」と、Taylor氏は説明した。「我々の狭い懐中電灯ビームは空全体を見ているわけではなく、小惑星や月の表面の非常に特定の場所を指しています。我々は懐中電灯の特性を非常によく知っているので、正確に何を送信したかを知っています。我々が懐中電灯を向けた場所からエコーを受信すると、その信号を分析し、送信したものと比較してどのように変化したかを確認します」。
これが惑星レーダーを他の天文学のタイプとは異なり、非常に強力にする要因である。
「天文学者が星や銀河から発せられる光を研究するとき、その特性を解明しようとしています」と、Taylor氏は語った。「しかし、レーダーでは、信号の特性をすでに知っているので、それを利用して信号が反射された対象物の特性を解明します。これにより、天体の形状、速度、軌道などを特定することができます。これは、地球にあまりにも近づく可能性のある危険な物体にとって特に重要です」。
過去には、惑星レーダーは小惑星の画像を作成するために使用されてきたが、惑星の位置と運動を正確に測定することもでき、火星に宇宙船を着陸させ、外部の太陽系を探索することができる。また、水星に氷が存在することを発見するなどの驚くべき発見も行われている。
電波は可視光よりも波長がはるかに長いため、電波天文学には大型のアンテナが必要である。カリフォルニア州モハーヴェ砂漠にある70メートルのゴールドストーンアンテナは、主にNASAの深宇宙ネットワークの一部として宇宙船との通信に使用されているが、地球近傍の小惑星を研究するためにも頻繁に使用されている。また、先に述べたように、現在高出力の惑星レーダーを実施できる唯一の施設である（ただし、ゴールドストーンサイトの小型望遠鏡やオーストラリアにあるいくつかの小型施設も惑星レーダーを行うことができるが、ゴールドストーン70メートル皿の送信機出力には及ばない）。以前、惑星レーダーの主力は直径1,000フィート（305メートル）のアレシボ天文台で、感度は約20倍高く、ゴールドストーン70メートルよりも約2倍遠くの小惑星を検出できた。
しかし、アレシボの皿は固定され、円形のシンクホール内に建設されていたため、地球に固定されており、真上にある空の部分しか見ることができなかった。そのため、アレシボの皿は空の約3分の1しか見ることができなかった。ゴールドストーンは完全に操縦可能で、空の約80％を見渡すことができ、1日に数回の物体を追跡でき、小惑星の画像をより細かい空間分解能で取得できる。
ngRADAR
Robert C. Byrd Green Bank Telescopeは、世界最大の完全操縦可能な電波望遠鏡である。その100メートルの大皿の操作性により、視野内の物体を迅速に追跡し、空の85％を観測することができる。
GBTの新しいレーダーシステムは、高解像度のツールを導入し、これまで利用できなかった波長でのデータ収集を可能にする。GBTと国立電波天文台（NRAO）の科学者たちは、以前は利用できなかった高度なデータ削減および分析ツールも開発しており、天文学者に前例のない惑星レーダーの能力を提供する。
概念実証のために、Taylor氏とそのチームは、軍事および科学用途のレーダーシステムの長年の開発者であるRaytheon社と協力し、出力がはるかに低い送信機の小型バージョンを構築した。
「Raytheonの友人たちが、出力700ワットの送信機を構築しました。これは家庭用電子レンジの約半分の出力です」とTaylor氏は語った。「最終的には、500キロワットのシステムを構築したいと考えていますが、700ワットでも非常に印象的な観測を行うことができました」。
GBTの惑星レーダーは月に向けられ、特にHadley Rilleにあるアポロ15号の着陸地点と巨大なTychoクレーターの表面に照射され、NRAOの10台の25メートルVLBAアンテナでレーダーエコーが受信された。Tychoでは、クレーターが5メートルの解像度で撮影され、地球から月の表面の前例のない詳細が明らかになった。Taylor氏によれば、ngRADARプロトタイプの解像度は、Lunar Reconnaissance Orbiterの高解像度カメラによる月軌道からの光学解像度に匹敵するものだった。
「クレーターの床の画像は本当に息をのむほどでした」とTaylor氏は語った。「家庭用電化製品の電力以下でこれほどの観測ができるとは驚きです」。
さらに、プロトタイプレーダーは、地球に潜在的な危険をもたらすと考えられている小惑星（231937）2001 FO32を検出した。この小惑星はレーダーピングの間に月よりも約6倍遠く地球を通過していた。この小惑星は直径約1キロメートルで、その大きさと観測時の地球から約200万キロメートルの距離から潜在的に危険と見なされている。この小惑星の検出はデータの中にスパイクとして現れた。
「データのスパイクから、この天体がどれくらいの速度で移動しているかをすぐに把握し、その軌道を決定し、将来の軌道を予測することができます」とTaylor氏は説明した。「その衝突リスクを評価し、それがどれくらいの危険であるかを評価し、さらにその回転状態、大きさ、組成、散乱特性などを制約することもできます。データスパイクはあまり見栄えがしませんが、その小さな検出だけでも小惑星に関する多くの情報を提供します」。
GBTから送信されたレーダー信号は天体に反射され、その反射信号は米国内にある10か所の観測ステーションで構成されるVery Long Baseline Array（VLBA）で受信される。
「GBTはほぼ常に送信を行い、VLBAの全10台の望遠鏡、またはそのうちのいくつかのサブセットが受信を行うというアイデアです」とTaylor氏は語った。「この新しいシステムにより、これまで使用されていなかった周波数または波長で多くの異なる天体の表面を特徴づけることができます。」
次回：このシリーズのパート2では、ngRADARの詳細、惑星レーダーの歴史、そしてGBTに近づく様子を詳しく見ていく。
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