ALMA の運用と共同利用観測／立松35

ALMAの運用と共同利用観測

立松 健一

1

（要旨）日米欧の国際プロジェクトとして建設中の大型電波望遠鏡計画ALMAの運用と共同利用観測に関して説明する．ALMAの運用は，研究者が現地に赴かない「サービス観測」が基本である．また，ALMAでは電波天文学者のみならず，広い研究分野の研究者の利用を基本とする．論文に使えるレベルの画像の生成を可能とする，自動パイプライン・データ解析ソフトウエアの開発がおこなわれている．また，ユーザー支援などのために日米欧の各局にALMA地域センター（ALMA Regional Center=ARC）が設置される．

1. はじめに士山よりずっと高い．世界で最高の天文観測サイトだが，人間にはきわめてきびしい．しっかりと準備して2回に分けて，日米欧の国際協力で建設中の大型電波望遠鏡計画「アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計

いかないと高山病にかかる可能性さえある．行くのも大変だし，行った先も大変なところである．

（ALMA）」に関して説明させていただいている．前

このような事情から，ALMAの運用は，研究者が回2008年9月号では，計画の概要と進捗について説明

現地に赴かずに観測が実行される「サービス観測」がさせていただいた．今回は，ALMAの運用と共同利基本となっている．飛行機嫌いの私のような人も安心用について書きたい．ALMAが掲げる科学目標の3本してALMAに観測提案が出せるわけである．

柱の一つが「惑星系の誕生」である．惑星形成論は日本のお家芸でもある．ALMAは，すばる望遠鏡やハ

3. ALMAのアンテナについてッブル宇宙望遠鏡を1桁上回る解像力，ミリ波サブミリ波の電波の特質を生かして，人類史上初めて惑星電波望遠鏡には2種類あって，単一鏡と干渉計に分系形成の現場を直接観測できる望遠鏡と期待される．

かれる．パラボラ・アンテナ1つでできているのが単我々の太陽系の観測的研究でも，その分解能と分光性一鏡で，わが国立天文台の野辺山45m電波望遠鏡はそ能を武器に面白い研究の展開が期待される．ぜひ日本の代表例である．干渉計は，複数のパラボラ・アンテ

惑星科学会の皆さんに，ALMAを用いた観測に参加ナを組み合わせて，「相関器」という装置で合成処理していただきたい．

を行う．単一鏡型電波望遠鏡は，口径と波長に応じた分解能を持つ．分解能（ラジアン）≒波長/口径であり，2. チリ

同じ波長なら口径が大きいほど分解能か細かい（高い）．
人間が作れる望遠鏡の大きさには限界がある．干渉計

私自身，チリ渡航はこれまで10数回になる．チリへとして複数のアンテナをある大きさの敷地に展開すれの旅は長い．成田からALMAのサイトの最寄空港カば，分解能≒波長/敷地の大きさとなり，単一鏡型でラマまでは乗り継ぎを入れて約35時間，1日半の旅行は達成できない高分解能が得られる．干渉計の視野は，である．しかも，望遠鏡の設置される場所は，アンデ視野＝波長/素子アンテナの口径となる．
すなわち，「波ス山脈のアタカマ砂漠の標高5000ｍの場所である．富長/アンテナ口径」は，単一鏡として使うときは分解能，干渉計として使うときは視野を表す．干渉計の場

1. 国立天文台 ALMA 推進室

合，視野と同じ大きさのものは見えず，おおざっぱに36

日本惑星科学会誌 Vol.18.No.1,2009

日本が担当するアタカマ・コン
パクト・アレイ（ACA）システム© ALMA/ESO/NAOJ/NRAO
図1： ALMAの完成想像図。移動台車で配置を変えて、観測を行う。最も広げたときには大きさが18.5 kmに

図１：ALMAの完成想像図。移動台車で配置を変えて、観測を行う。最も広げたときにはもなる。図は、最もコンパクトな場合。右側の一群が12mアレイ。赤枠内がACA。ACAの四隅の大きめのアンテナがTPアレイ、中の小さなアンテナが7mアレイ。

大きさが 18.5 km にもなる。図は、最もコンパクトな場合。右側の一群が 12m アレイ。赤
枠内が ACA。ACA の四隅の大きめのアンテナが TP アレイ、中の小さなアンテナが 7m ア
いって視野の80%ぐらいの大きさのものまでしか見え数帯を観測する1ピクセル受信機となる．よってTPアレイ。
ない．一方，単一鏡観測で，分解能ぎりぎりの大きさレイによる単一鏡観測は，ブラウン管型テレビの走査の天体ではそれが点源なのか，広がった天体なのかわ線のように，望遠鏡の向きを連続的に変えて天球上をなぜ、7mアンテナが必要かというと、上記のように12m アンテナの単一鏡、干渉計で（OTF）観測が基本からないので，分解能の2倍ぐらい以上の天体でないと， ラスター・スキャンするOn-the-fly
は、見えない天体のサイズがあるからである。この穴を埋めるために7m 干渉計を使う。す観測情報が得られない．同一口径のアンテナを用いてである．干渉計観測で，大きな画角がとりたいときは，なわち、小さな構造から大きな構造にかけて、アレイ（干渉計）、7m アレイ（干渉計）、単一鏡観測及び干渉計観測を行った場合，「単一鏡の 12m望遠鏡の視野をステップ的に移動させつつ（たとえばTP アレイ（単一鏡）で情報を取得し、完璧な電波画像を取得するわけである。電波望遠鏡
分解能＝干渉計の視野」程度の大きさの天体には感度六角稠密的に），天球上で若干オーバーラップさせながら，複数視野を観測し，データ解析で合成することがないことになる．ALMAは，12mアンテナ64台での中には、ＣＣＤカメラのように複数のピクセルを持つ受信機も存在するが、ALMAの場になる．
構成される干渉計（12mアレイ），単一鏡観測用12mア
合は、切り替えにより７周波数帯を観測する１ピクセル受信機となる。よって
TP アレイにンテナ４台（TPアレイ），7mアンテナ12台で構成されよる単一鏡観測は、ブラウン管型テレビの走査線のように、望遠鏡の向きを連続的に変える干渉計（7mアレイ），で構成される（図１）．ＴＰア
ALMAの共同利用運用て天球上をラスター・スキャンする
On-the-fly 4.
(OTF)観測が基本である。干渉計観測で、レイと7mアレイを合わせてAtacama Compact Array
大きな画角がとりたいときは、望遠鏡の視野をステップ的に移動させつつ（たとえば六角（ACA）とよび，日本の建設分担となっている．
これまで，一般には，電波望遠鏡は電波天文学者に稠密的に）、天球上で若干オーバーラップさせながら、複数視野を観測し、データ解析で合なぜ，7mアンテナが必要かというと，上記のようよる使用を前提としてきた．一方，ALMAは電波天成することになる。
文学者のみならず，広い分野の方に使っていただく望に12mアンテナの単一鏡，干渉計では，見えない天体のサイズがあるからである．この穴を埋めるために遠鏡を基本として，プロジェクトの設計がなされてい４．ALMA の共同利用運用
7m干渉計を使う．すなわち，小さな構造から大きなる．米欧では生化学者でも使える電波望遠鏡という表
これまで、一般には、電波望遠鏡は電波天文学者による使用を前提としてきた。一方、
現を使ったりしている．ALMAの運用は，チリ現地構造にかけて，12mアレイ（干渉計），7mアレイ（干渉ALMA（単一鏡）
は電波天文学者のみならず、広い分野の方に使っていただく望遠鏡を基本として、計），TPアレイで情報を取得し，完璧な電のALMA観測所と日米欧にそれぞれおかれるALMA波画像を取得するわけである．電波望遠鏡の中には，地域センターによって行われる．観測者はチリに行か

CCDカメラのように複数のピクセルを持つ受信機もずに観測手順書を準備し，観測は指示書に基づき行わ存在するが，ALMAの場合は，切り替えにより7周波れる．もし，あなたがALMAの観測に適するかもしALMA の運用と共同利用観測／立松37

図2： ALMAの運用組織図．チリにはALMA観測所(Joint ALMA Observatory)があり，望遠鏡の運用を行う．
図２：ALMA の運用組織図。チリには ALMA 観測所(Joint ALMA Observatory)があり、日米欧にはALMA地域センターが置かれる．

望遠鏡の運用を行う。日米欧には ALMA 地域センターが置かれる。
図３は、ALMA における共同利用観測の流れを示す。公募案内からはじまり、観測提案作成支援、観測手順書作成支援、観測データ解析支援、公開観測データ解析支援と各ステージで ALMA 地域センターがユーザー支援を行う。

図3： ALMAにおける共同利用観測の流れ

図３：ALMA における共同利用観測の流れれない研究テーマの候補を持ち，ALMAで観測する

観測方法はどうするのか，データ解析は簡単だろうか，ことを考えたとき，何がネックになるであろうか．ま山ほど聞きたいことが出てくるであろう．

ず，ALMAの観測にフィットするテーマであるのか，そのような質問に答え，ユーザー支援を行うのが38

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ALMA地域センター（ALMA Regional Center，略したが，予算の制約から，そのなかの優先順位の高い7てARC，アークまたはエー・アール・シー）である．の周波数バンドがまず実現される（表1）．

図2にALMAの運用組織図を示す．チリにはALMA

84GHzで，「12mア レ イ の 視 野 ＝TPア レ イ の 分 解観測所（Joint ALMA Observatory）があり，望遠鏡の能」は61秒角＝約1分角，7mアレイの視野は105秒角運用を行う．科学運用部DSO（Department of Scienceで分解能は25秒角である．950 GHzでは，「12mアレOperations）はその部門の一つで共同利用業務をつかイの視野＝TPアレイの分解能」は5.4秒角，7mアレイ

さどる．日米欧にはそれぞれALMA地域センターがの視野は9.3秒角で分解能2.2秒角である．12mアレイ置かれ，それぞれのコミュニティーとALMAのインの分解能は連続波観測で0.01秒角に達するが，ラインターフェースをつかさどる．日本の地域センターは東観測の場合には，現実的な観測時間の中で達成できる

京都三鷹市の国立天文台におかれ，アメリカの地域セS/Nがリミットとなり，おおむね0.1秒角が限界となる．

ンターはワシントン郊外におかれる．ヨーロッパのそ最終的に得たい天体画像の大きさが，17×（300GHz/

れはミュンヘン郊外におかれ，また，ヨーロッパ各周波数）秒角以下の場合は，12mアレイによる単一視地に地域センター支所が設置される．ALMA地域セ野観測で充分．天体画像の大きさが，それ以上のときンターの役割には，ALMAの共同利用の業務としては12mアレイによる複視野のモザイク観測が必要であ

共通に規定されているものcore functionsと，それぞる．12mアレイは14×（300GHz/周波数）秒角以上の構れの地域の独自性を生かして開発運用を行うnon-core

造には感度がないので，そのような構造の存在が予想

functions（Enhanced User Services）がある．

される場合には，TPアレイと7mアレイによるACA

図3は，ALMAにおける共同利用観測の流れを示す．の観測を合わせて行う必要がある．どのくらい広い範

公募案内からはじまり，観測提案作成支援，観測手順

囲を観測できるかは，天体の強度と感度による．TP

書作成支援，観測データ解析支援，公開観測データ解

アレイのOTFマップのみを考えた場合，連続波であ析支援，と各ステージでALMA地域センターがユーれば数度×数度のマップも描けるであろうが，ラインザー支援を行う．のマップだと30分角×30分角が上限の一つの目安になるであろう．

5.ALMA観測の視野と分解能6. 感度計算
ALMAでは，当初，ミリ波サブミリ波の電波の「大気の窓」をすべておおう10の周波数バンドが立案され観測テーマが決まれば，それがALMAで受かりそうかどうか調べてみる．天体の電波強度はJy（ジャンスキー）またはK（ケルビン）であらわされる．輻射流束の単位であるジャンスキーは，宇宙電波を発見した

表1： ALMAの周波数バンド－26

受信バンド

周波数帯域
雑音温度
（GHz）

バンド 1

31.3 － 45.0 17 K

----

バンド 2

67 – 90

30 K

----

バンド 3

84 – 116

37 K

北米（カナダ）バンド 4

125 – 163

51 K

国立天文台

バンド 5

163 – 211

65 K

----

バンド 6

211 – 275

83 K

北米（米国）

バンド 7

275 – 373

147 K

欧州（フランス）

バンド 8385 – 500

196 K

国立天文台

バンド 9602 – 720

175 K

欧州
（オランダ）

バンド 10 787 – 950

230 K

国立天文台

担当機関

カール・ジャンスキーにちなむ．1 Jyは102W/m /Hzである．ビーム立体角Ωbあたりの流束密度S/Ωbと2輝度温度Tbの変換は，Tb ＝λ /2k×S/Ωbとなる．予想される強度は，類似天体の観測が過去にあれば，その強度から推測することができる．ただ，ALMAは分解能，感度においてこれまでのミリ波サブミリ波望遠鏡の性能を大きく凌駕するものであるので，過去に類似観測がない場合も多々あるであろう．その場合には，考察のうえ，強度を予想する必要がある．黒体輻射をする物質が，レーリージーンズ近似が有効な波長帯で，望遠鏡のビームを満たして存在する場合，その物質温度の強度（K）で受かる．実際にはいろいろなALMA の運用と共同利用観測／立松

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原因で強度は物質温度より低くなる．光学的厚み，物本は，単一型電波望遠鏡の解析ソフトウエアの開発に質のフィリングファクター，望遠鏡の能率で，その低歴史と経験があるので，この方面の開発を重点的に行くなり方がきまる．光学的厚みは，分子の輝線の場合っている．

は，分子の柱密度，分子のエネルギー準位の励起状態，単一鏡と干渉計では，データの取得方法が異なり，ダストの場合は，ダストの柱密度，emissivity lawでその結果データの解析方法も異なる．アルマの場合で決まる．また，遠方銀河の場合には赤方偏移を考慮す

いえば，最大に広げた場合，直径18.5kmのパラボラ・る必要がある．ALMAの観測準備ソフトウエアには，アンテナに匹敵する分解能を得ることができる．しか感度計算機が組み込まれている（その開発には国立天しながら，アンテナを18.5kmの中に敷き詰めている文台の谷田貝宇があたった）が，それに基づいたwebわけではないので，欠落している情報がある不完全な上のツールを紹介する．

データセットとなる．データ解析では，この不完全なhttp://www.eso.org/sci/facilities/alma/observing/部分をうめることになる．干渉計から得られる生デー

tools/etc/

タをビジビリティと呼ぶ．ビジビリティは天体の輝度

ここでの観測時間は，観測１点当たり，あるいは１分布のフーリエ成分であり，ビジビリティを採取して視野あたりの時間となる．全観測時間の見積もりのた逆フーリエ変換すると天体の輝度分布が得られる．全めには，干渉計では，所望の電波画像を得るのに必要ての空間周波数でビジビリティを採取出来れば元画像な視野数の情報が必要である．単一鏡観測においては，が得られるわけだが，現実には不完全なビジビリティ

ナイキスト・サンプリングとなる，分解能の1/2またしか得られないので，補正を行いつつ像合成をおこなはそれ以下のグリッドでデータを取得する必要がある．

う．よくつかわれるアルゴリズムがCLEAN（クリー実 際 に は， 観 測 提 案 準 備， 観 測 手 順 書 の 作 成 にン）である．ALMAでは，12mアレイによる干渉計観測，おいては，いろいろ不明な点が出てくるであろう．

7mアレイによる干渉計観測，TPアレイによる単一鏡ALMA地域センターでしっかりと支援していきたい．

観測の3種類のデータが得られる．これはちょっと複雑である．

7. ALMAのデータ解析

電波天文学者は，3種のデータを「オフライン・データ解析ソフトウエア」を用い手作業で解析するであろ電波望遠鏡のデータの解析には一般にはそれなりのう．一方，電波天文以外の研究者は，「パイプライン・知識がいる．ALMAでは，電波天文学者など向けの「オデータ解析ソフトウエア」で調理済みの電波画像がほフライン・データ解析ソフトウエア」と，電波天文以しいであろう．ALMAにおいては，数が少ないアン外の人でも論文に使える電波画像を得られる「パイプテナ台数で共同利用運用を始める「初期科学運用」のライン・データ解析ソフトウエア」の2つが用意される．

募集が2010年度に始まる予定である．
この段階には「オALMAのオフライン・データ解析で用いるソフトウフライン・データ解析ソフトウエア」のみが用意させ

エ ア の 名 前 はCASA（Common Astronomy Software

る．アンテナ全台数がそろう「本格運用」（2012年度開Applications）という．パイプライン・データ解析ソ始を予定）
では基本的な観測モードに対して，「パイプフトも，基本的にはCASAをベースとする．CASAは， ライン・データ解析ソフトウエア」が準備される予定
チリの母国語スペイン語で家の意味である．ちなみにである．電波天文以外の研究者に対しては，本格運用

ALMAはスペイン語で「魂」とか「いとしい人」といまではALMA地域センターによるデータ解析支援がう意味がある．CASAは，ALMAのみならず「EVLA」要であり，本格運用では「パイプライン・データ解析に も 使 わ れ る， 次 世 代 電 波 解 析 ソ フ ト ウ エ ア で あソフトウエア」による自動電波画像生成を利用できる

る．EVLAは，27台の25mアンテナで構成されるVeryであろう．本格運用以降も，パイプラインの結果ではLarge Array（略してVLA，SF映画にもしばしば登場，納得いかない場合の再解析，データの吟味や信頼性評

たとえばジョディ・フォスター主演「コンタクト」）を価，標準的でない観測モードの解析支援，公開データ強化した干渉計である．CASA開発の中心はアメリカをつかったデータベース天文学の支援など，ユーザーであるが，日本，ヨーロッパにも開発部隊がある．日

支援は引きつづき必要であろう．

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8. 最後に
これまで，日本の科学は，世界的なハードを準備できるが，ソフト面，すなわちユーザー支援や論文に至る最後の部分のケアが薄いという批判があった．ALMAでは，ユーザー支援に標準を設けて，その内容を規定している．サポート・サイエンティス
トの人数も，観測時間（望遠鏡を設置するチリの割り当て（10％）除き，日本が25％，米欧が37.5％ずつ）に応じ，日本が8年，米欧が12人ずつと決められている．
科学は成果をしっかり，刈り取ることが重要である．
ALMAにおいては，ALMA地域センターがその任を担う．日本惑星科学会の皆さまにも，積極的に活用していただき，ALMAでいい成果を出すお手伝いをさせていただきたいと考えている．