＜山崎賞＞
９ 電波望遠鏡の製作と木星電波の検出

１ 動機
私達は昨年木星の質量についての研究を行った。方法は木星の写真を撮り、それらを合成して得られた木星の４つのガリレオ衛星の軌道から木星の公転周期などを求め、ケプラー法則や万有引力の公式を用いて木星の質量を推定した。その結果、木星の質量は 1.8302×1027ｋｇであるという結論に達した。この研究を進める過程で、木星について調べていくうちに、木星からは強い電波が放出されていることを知った。また、この電波は文献によると衛星イオの公転周期と密接に関係しており、質量の研究にも結びつく可能性がある。そこで、木星の電波に興味を持ち、自分たちで電波望遠鏡を製作して、木星電波を受信することを計画した。
２ 目的(1) 宇宙からの電波を受信するための電波望遠鏡を作成する。
(2) 自作した電波望遠鏡を用いて木星電波を検出する。
(3) 木星電波の特徴を調べる。
３ 電波望遠鏡の作成
今回製作した電波望遠鏡は、アンテナ、検波器、記録をするパソコンからなる。アンテナは、ケーブルの先に 2 本の直線状の導線を左右対称につけたダイポールアンテナである。
このアンテナの受信する周波数は 20.1MHz にした。20.1MHz とした理由は木星デカメータ電波の周波数が 20MHz 付近で強いので、20.0MHz にしようとしたが、20.0MHz にすると短波通信の混信の図１ 作製したアンテナ（本校屋上）影響を強く受けるため、少しずらして 20.1 MHzとした。次に 20.1 MHz の電波を受信出来る波長を求めた。この結果、波長の長さが 14.18m だったので、導線の長さを２分の１波長の 7.09ｍにした。受信した電波は検波器を通って、電圧に変換されパソコン上に記録される。作製したアンテナの側面図が図２、平面図が図３、自作した検波器が図４である。また、このアンテナの放射の角度と強度の関係を示す指向性のグラフが図５である。
ダイポールアンテナの特徴である８の字型の指向性を示す。

図２ アンテナの側面図

図３ アンテナの平面図8

図５ アンテナの指向性

図４ 自作した検波器

４．木星電波の観測
４.１ 木星電波の概要
木星は太陽系の 8 つの惑星の中で最大の惑星であり、同時に太陽系の中で最も強い電波を放射している惑星でもある。木星から放射されている電波の中で最も強度が強いのは波長およそ 10m の電波（周波数で 3MHzー30MHz）で、木星デカメータ電波と呼ばれている。
４.２ 観測方法
前章で述べたアンテナを用いて観測を行った。観測期間は 9 月 4 日～12 月１5 日である。なお、
木星電波は銀河の背景放射（銀河電波）と似たレベルにあるため、これを木星電波と間違える可能性もある。そこで、フロリダ大学のホームページを参考にして、私たちの観測結果と見比べながら木星電波の特定を行った。
４.３ 結果フロリダ大学の予測情報を元に観測期間中の全データを調べたところ２６イベントの木星電波を検出することが出来た。表１がその一覧である。
また、
図６が10月27 日 21:53:01～22:25:13 に発生した木星電波で、強度が短時間に激しく変動しているバーストである
ことがわかる。１日の時間帯で比較すると、午後６時から午前６時までの夜間ものが多かった。これは昼間では混信の影響を強く受けて木星電波の判別が困難であるためである。
したがって、木星電波の観測は夜間のほうが適していると言える。

図６ フロリダ大学の木星電波のホームページ

表１ 木星電波観測結果一覧

年月日

時間帯(日本標準時)

中央経度

位相

備考

2007 年 9 月 4 日

21:23:18～22:05:07

237.8

265.1

Io-A

2007 年 9 月 8 日

05:11:21～05:42:22

252.2

220.9

Io-A

2007 年 9 月 9 日

20:42:50～21:20:59

253.0

197.7

Io-A

2007 年 9 月 20 日

14:12:45～14:16:28

217.8

216.7

Io-A

9

2007 年 9 月 20 日

15:05:45～15:09:40

249.6

223.8

Io-A

2007 年 9 月 21 日20:15:50～20:37:55

234.8

112.6

Io-B

2007 年 9 月 27 日

02:49:46～02:59:56

138.8

102.9

Io-B

2007 年 9 月 27 日

15:58:53～16:06:00

256.2

215.3

Io-A

2007 年 9 月 28 日

19:21:14～19:22:59

167.8

87.0

Io-B

2007 年 10 月 1 日

08:57:05～08:58:17

240.8

248.7

Io-A

2007 年 10 月 11 日

05:36:22～06:21:17

197.0

97.0

Io-B

2007 年 10 月 11 日

19:42:38～20:26:24

340.4

214.0

Io-A

2007 年 10 月 13 日

19:02:55～19:11:56

253.8

254.0

Io-A

2007 年 10 月 18 日

05:45:21～06:09:53

169.0

80.0

Io-B

2007 年 10 月 20 日

20:11:52～20:54:55

273.8

248.6

Io-A

2007 年 10 月 24 日

05:43:29～06:08:49

347.0

218.2

Io-A

2007 年 10 月 27 日

20:48:46～21:01:52

263.2

235.4

Io-A

2007 年 10 月 27 日

21:53:01～22:25:13

312.8

247.3

Io-C

2007 年 10 月 28 日

23:36:17～23:58:29

159.2

103.8

Io-B

2007 年 11 月 16 日

06:07:58～06:36:56

220.8

218.0

Io-A

2007 年 11 月 21 日

18:34:09～18:42:18

336.8

257.9

Io-A

2007 年 11 月 24 日

12:44:56～12:47:03

214.6

98.0

Io-B

2007 年 12 月 5 日

03:46:29～03:57:06

104.6

98.6

Io-B

2007 年 12 月 6 日

20:50:43～21:02:21

154.6

86.3

Io-B

2007 年 12 月 6 日

21:54:51～22:02:10

193.0

96.0

Io-B

2007 年 12 月 11 日

02:39:39～02:45:59

244.8

228.6

Io-A

５．木星電波の特徴
５.１ 動機・目的
木星電波の検出に成功したので、次に木星電波の特徴を調べてみようと思い、グラフの作成を行い、木星電波の特徴を確かめた。

木星電波

５.２ 木星電波ストームの特徴
木星電波の電波源は木星のオーロラ帯に位置し、電波は電波源から鋭いビーム状に放射されると考えられている。これを木星電波ストームという。木星電波ス
トームには特徴があって、ストームの発生確率は観測者から見た木星の体系Ⅲで
図７ 10 月 27 日の木星電波の中央経度に依存している。これは木星
縦軸は電波強度を示すの体系Ⅲでの回転周期が、木星磁場の回転周期と一致しているためである。
また、衛星イオと木星の相互作用により木星電波は大きく変動することが知られている。そこで木星の中10図８ 中央経度と観測された木星電波の個数

図９ イオの位相と観測された木星電波の個数

央経度や衛星イオに関連する電波の特徴を調べるために、次のような方360法でグラフの作成を行った。
まず観測された木星電波の中間時刻300を求め、そのときの体系Ⅲでの中央経度λⅢ、イオの位相θをフロリダ
240
大学のホームページや天文観測年表
2007 を用いて調べる。次に横軸に中央経度λⅢ、縦軸に観測された個数
θ 180をとり、木星のどの中央経度において電波の発生率が高いのかを調べる。
120
また衛星イオの位相θについても同様に行う。この結果、図８で示した
60
とおり、木星の中央経度については多少ばらつきがあるものの、中央経度 180°～270°の間で多く、特に0060
120180240300
360240°付近で最大になることがわかλⅢる。また、衛星イオの位相に関して
図 10 木星電波が観測された時のイオの位相と木星の中は図９で示したとおり、90°付近と央経度の関係180°～270°の間が多いことがわかる。
さらに木星の中央経度とイオの位相■は 2007 年９月から 2007 年 12 月までの本校で観測した木星電波の関係を詳しく調べるために、私達の○は 2006 年１月から 2007 年８月までの NASA’s Radio JOVE のホームページで観測結果に NASA’s Radio JOVE のホ
公開されている木星電波ームページで公開されている 2006 年１月から 2007 年８月までのデータを追加して、図 10 を作成した。この結果、図 10 より木星電波の発生しやすい位置関係は３つあることがわかる。すなわちイオの位相が 240°で木星の中央経度が240°の場合、イオの位相が 240°で木星の中央経度が 330°の場合、イオの位相が 90°で木星の中IO-A

IO-CIO-B

11央経度が 150°の場合の３つである。これらは文献によると、それぞれ IO-A、IO-A 、IO-C と呼ばれていることがわかった。
５.３ 考察このような結果になる原因について考えてみると、木星は赤道上に地球の 14 倍もの強い磁場があり、またイオは電離層を持っているので、木星磁場とイオの相対運動によって発生した攪乱が磁力線に沿って木星表面近くまで伝わって、イオ関連の木星電波を発生させると考えられる。グラフ
よりイオの位相が 90°と 240°とほぼ対称である時に電波の発生率が高い。しかし、位相が完全に対称でないのは、木星からイオまでの距離によると考えられる。
６．結論
今回の研究の結果、次のことが明らかになった。
(1) 木星電波の観測に成功した。また、夜間の観測が検出に向いている。
(2) 木星電波の発生には特徴があり、それはイオの位相と体系Ⅲでの木星の中央経度に依存している。
(3) 木星の太陽離角が小さくなるほど惑星間空間シンチレーションは顕著である。
７．今後の課題
今後の課題は以下の５つである。
(1) 木星電波の観測に成功したので、木星電波から求められる磁場の方位、強度などを調べ、実際に求めてみたい。
(2) 今回作成したアンテナは太陽電波の観測にも使えるため、太陽電波も検出をしてみたい。
作成したアンテナの指向性では銀河電波の検出に不向きであるため、指向性の異なる(3) アンテナを用いて銀河電波の検出をしてみたい。
(4) 惑星間空間シンチレーションをさらにはっきり示すとともに、音による木星電波の同定を行いたい。
(5) イオに関連しない木星電波の検出を行いたい。
９．参考文献NASA’s Radio JOVE 取扱い説明書
前田耕一郎（2002）電波の宇宙，コロナ社
前田耕一郎（1989）簡単な電波望遠鏡による低周波電波天文学 ２．銀河電波の観測,天文月報,82,9,230-234
前田耕一郎（1989）簡単な電波望遠鏡による低周波電波天文学 ３．太陽の観測,天文月報,82,11,287-292
前田耕一郎（1990）簡単な電波望遠鏡による低周波電波天文学 ４．木星電波の観測,天文月報,83,1,12-16
天文年鑑編集委員会（2006）天文年鑑 2007 年度版 誠文堂新光社
天文年鑑編集委員会（2006）天文観測年表 2007 地人書館
天文年鑑編集委員会（2005）天文観測年表 2006 地人書館
参考ホームページ 国立天文台野辺山 http://www.nro.nao.ac.jp/
木星の電波 http://www.sgepss.org/sgepss/kyoiku/II-05/mokusei.html
NASA’s Radio JOVE http://radiojove.gsfc.nasa.gov/
フロリダ大学 http://www.astro.ufl.edu/juptables.html

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