〈山﨑賞〉
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地球外からの電波の観測

１ 研究の動機
昨年度、私たちが毎月行っている天体観測の時、先生から、「銀河の中心からは、光だけでなく、電波も届いている。
」ということを聞いて興味をもった。
アンテナを使って宇宙からの電波を受信し、目で見るだけではわからない天体の活動を知りたいと思ったため、電波観測を始めることにした。
そして、銀河からの電波だけでなく、自然界の電波を幅広く観測してみようと考えた。
２ 昨年度の研究と成果⑴ 半波長ダイポールアンテナの製作
電波を観測するにあたり、構造が簡単で、かつ私たちにも製作しやすい「半波長ダイポールアンテナ」を製作することにした。
アンテナの素子として直径が 18 ミリのアルミパイプを用い、受信周波数が 24MHz と 26MHｚの2 本のアンテナを製作した。
アンテナは、部室棟の屋上に、 素子を東西に向けて設置した。
⑵ ダイポールアンテナの指向性
半波長ダイポールアンテナの指向性を文献で調べたところ、後方に完全導体の平面反射板を持
つ半波長ダイポールアンテナの指向性は、図１のようになることがわかった。
製作したアンテナは、設置高さを、四分の一波長にしたので、この指向性にほぼ近い状態になっていると考えられる。またアンテナパイプを東西方向に向けて設置したので、東西方向には約70°、南北方向には約 120°の指向性があり、特にこの範囲での感度がよいことになる。しかし、アンテナ後方に完全導体の平面反射板を置いているわけではないので、これと全く同じ指向性を持っているかどうかはわからない。また、水平に近い方向からやってきた電波の受信感度は低下するが、まったく受信できないわけではない。
0°

0°

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1

西0.5

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30°

30°

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60°

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東60°

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00.5

南1

北

図 1：後方に完全導体の平面反射板を持つダイポールアンテナの指向性⑶ 観測システムの構築
アンテナから同軸ケーブルを地学教室まで引き、受信機に接続した。受信した電波の信号は受信機・検波回路・PC レコーダーを経てディジタル信号に変換され、パソコンに送られる。パソコンでは PC レコーダーに付属していたソフト「MSR16H」を使ってデータを取り込み記録した。

23:16:50

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23:15:00⑷ 24MHz と 26MHz を受信周波数とした理由
文献によると、図 2 に示されるように天体によって放射する電波には特徴がある。しかし、受信機の感度から、ある一定の強さ以下の電波は受信できないため、目的とする銀河電波の受信には、30MHz 以下が適すると分かった。また、上空の電離層によって、宇宙からの電波は吸収され、20MHz 以下になると、地上まで到達しにくいということも示されていたので、20MHz から 30MHz の間で受信できるアンテナを作ることにした。
この周波数帯であれば、さらに木星からの電波や、太陽バーストによる電波も観測対象にすることができる。
図 2：電波強度の周波数スペクトル⑸ 2 つの周波数帯で観測することの利点
2006/9/13
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通信などの電波は狭帯域のため、図 3 の20グラフのように 2MHz 離れた違う周波数で26MHz1524MHzは、片方のみに受信されることが多くなる。
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一方、自然電波の場合は、両周波数帯に同5時に受信される可能性が大きい。したがっ0て、2 つの周波数帯で観測することにより、通信などの人工の電波と自然電波を区別することができると考えられる。
図 3：観測された人工電波⑹ 昨年度の研究の成果
自然電波と人工電波の信号を区別することができた。さらに、雷の放電による電波が観測でき、約 200km 離れた場所で発生した雷雲によって発生した電波をとらえることに成功した。
３ 研究の目的
昨年度構築した観測システムを用いて観測し、地球外から到来する電波をとらえることを目的とした。ただし観測対象は、① 木星電波 および ② 銀河電波 に絞った。
４ 研究の方法
パソコンに記録されたディジタルデータを、CSV ファイルに変換し、表計算ソフトのエクセルに取り込み、グラフ化機能を用い、受信強度の時間変化のグラフを作成する。
作成したグラフから直接、対象とする電波の有無調べる。
グラフにさらに解析を加え、対象とする電波の存在を探る。
５ データの解析
銀河電波については、昨年度自然電波の解析に使用した、26ＭＨｚ帯のデータを使用し、人工ノイズの少ない夜間の 17：00～翌日の 7：00 までのデータを解析した。また、観測データは、0.5 秒ごとに記録されており、一晩の概観をつかむのには細かすぎるので、１分ごとのデータを抽出した。
さらに、ノイズの影響を少なくするために、一週間分のデータを加えて平均を出すことにした。7月 1 日から 7 日までのデータを平均して 7 月 4 日のデータとした。以下同様にして、8 月 31 日までのデータを一週間後と平均をしたものをデータとして利用した。平均を取ることで恒常的に受信した電波のレベルは下げずに、不定期に発せられた人工ノイズの影響を小さくすることができた。

⑴ 作成したグラフの解析方法について
グラフは、次の２つの方法で解析する。
ア グラフの読み取り方①
図 4 のように、ノイズによる乱れの少ないグラフの下部をベースラインとし、受信レベルが最も高いと思われる値を読み取る。次に､その値の 99％を取って線を引き、ベースライ
図 4：グラフの解析方法①
ンとの交点の時間を読み取る。これを「受信ピークが観測された時間帯」とする。
図 4 のデータ解析をもとにグラフを作成した。
これを、「受信ピークが観測された時間帯」のグラフと呼ぶことにする。
（図 5）
横軸に、平均をとった期間の日にちを、縦軸に時間を示してある。このグラフから、時間帯にばらつきがあるものの、日を追うごとに、強い電波の観測される時間帯が、少しずつ早まっている傾向がうかがえる。
図 5：受信ピークが観測された時間帯
イ グラフの読み取り方②
受信ピークを調べる方法では、ノイズが多いと、これによってピークの場所が引きずられる。
そこで、その日に観測された電波のうち、平均より強い電波の観測された時間を調べることにした。
①と同様に、受信レベルが最も高いところと、受信レベルが最も低いところの値を読み取る。それらの値の中点の値をとって線を引き、ベースラインとの交点の時間を読み取る。
これを、「受信レベルが高い時間帯」とする。
（図 6）
図 6 のデータも、①と同様にグラフに表し
図 6：グラフの解析方法②た。
（図 7）これを、「受信レベルが高い時間帯」のグラフと呼ぶことにする。
このグラフからも同様に、日を追うごとに、強い電波の観測される時間帯が、少しずつ早まっている傾向がうかがえる。
このように、日を追うごとに時間が早まるのは、銀河の南中時刻が早まっていくことを示していると考えられる。
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図 7：受信レベルが高い時間帯
６ 結果と考察⑴ 木星電波について
過去の観測によれば、電波は時間をおいて出現し、木星の自転周期に同期して発生する「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」の各電波源と、木星のガリレオ衛星の一つ、イオの地球から見た位置（位相角）に依存して発生する「イオ電波源」があることが知られている。
フロリダ大学の電波観測グループがインターネット上に公表している予報表から、強い電波が観測される確率の高い「イオＡ電波源」、「イオＢ電波源」、「イオＣ電波源」の時刻を調べた。そして電波強度の時間変化のグラフを用いて、予報時刻に木星電波の可能性がある自然電波が受信されているかどうかを調べた。
図 8 の例は両周波数に同時に反応があり、「イオ A 電波源」の予報時刻と重なっているため、木星電波である可能性が高い。
しかし、予報時刻外にも似たような電波が見つかったり、予報時刻にもかかわらず反応が見られなかったりと、木星からの電波であると断定することはできなかった。
図 8：２００７年５月９日の観測データ⑵ 銀河電波について文献（JJohn D. Kraus：“Radio Astronomy”）により、電波で見た天の川を見てみると、図 9に示されているように、銀河の中心方向である射手座の方向からと、白鳥座の方向から、強い電波が放出されていることがわかった。

白鳥座

射手座（銀河中心）Radio-sky Panorama

図 9：銀河中心の星座との関連性
そこで、6 月から 8 月までの射手座と白鳥座の南中時刻を調べ、南中時刻の推移を、「受信ピークが観測された時間帯」のグラフと「受信レベルが高い時間帯」のグラフの中に記入してみた。
上のラインが、白鳥座の南中時刻の推移を、下のラインが射手座の南中時刻の推移を表している。
受信ピークが観測された時間帯のグラフでは、受信ピークの変動は、白鳥座と射手座の南中時刻の推移と調和的に変動している事がわかる。（図 10）図 10：「受信ピークが観測された時間帯」と南中時刻の推移

受信レベルが高い時間帯のグラフについても、受信ピークが観測された時間帯のグラフと同様に、銀河が南中する時間前後には、電波のレベルが高くなっていることがわかる。（図 11）
これは、銀河電波を受信している証拠と考えられる。
図 11：「受信レベルが高い時間帯」と南中時刻の推移

６ まとめ⑴ 木星電波について
木星電波は、フロリダ大学の電波観測グループが公表している予報表をもとに、観測したデータをグラフ化したものの中から、予報された時刻付近で木星電波と思われるものを検出した。
しかし、グラフから木星電波が観測されるであろう時間の前後を見ても、それらしい電波が観測されているにもかかわらず、人工ノイズと思われるものが多くてわからなかったり、同じような電波がその時間以外にも見つかったりするなど、木星からの電波であると断定するにはいたらなかった。
⑵ 銀河電波について
銀河電波の観測では、一週間の平均を取ることで人工ノイズの影響を少なくすることができた。
これにより、いて座の方向（銀河中心）の動きを電波観測により、とらえることができた。
銀河の中心方向からは、目に見える光だけでなく、短波帯の強い電波が放射されていることがわかった。
７ 今後の課題
これからも引き続き、この観測を継続し、データの蓄積を行うと伴に、観測対象を広げていきた
いと思う。
今後の研究で次の四点を課題として取り組んでいきたい。
① 9 月に台風でアンテナのひとつが壊れてしまったため、今度はより高い指向性をもつ広帯域アンテナを製作し、マルチチャンネルの受信周波数で自然電波を観測すること。
② 今回検出できなかった木星からの電波を検出すること。
③ より高い精度で銀河電波を観測し、今回の観測データと比較すること。
④ 太陽表面の観測情報を調べ、これと比較し、太陽からの電波を検出すること。
８ 参考文献前田耕一郎（兵庫医大）：「簡単な電波望遠鏡による低周波電波天文学」天文月報
第８２巻 第７号 第９号 （1989 年）
John D. Kraus：“Radio Astronomy” McGraw-Hill Book Company （1966）
UNIVERSITY OF FLORIDA RADIO OBSERVATORY ONLINE http://ufro1.astro.ufl.edu/