TBIRD技術はブラックホールの光子リングの画像化に役立つ可能性がある |マサチューセッツ工科大学ニュース

2019 年 4 月、世界中の天文学者グループがブラック ホールの最初の画像を明らかにし、世界を驚かせました。ブラック ホールとは、光さえも何も逃がさない、崩壊した星とガスの巨大な蓄積です。この画像は、メシエ 87 (M87) と呼ばれる銀河の中心にあるブラック ホールのもので、ブラック ホールの中心の周囲に輝くガスが明らかになりました。 2021年3月、同じチームは、ブラックホールの周囲の光の偏光を示し、その磁場を明らかにする、さらに別の驚くべき画像を作成した。

両方の画像を撮影した「カメラ」は、 イベントホライズン望遠鏡 (EHT) は、単一の機器ではなく、世界中に設置された電波望遠鏡の集合体であり、各望遠鏡からのデータを組み合わせて高解像度の画像を作成するために連携します。現在、科学者たちはM87のブラックホールをさらに鮮明に観察するためにEHTを宇宙に拡張しようとしている。しかし、天文学史上最も鮮明な画像を生成するには、処理のために望遠鏡の膨大なデータセットを地球に送信するという課題が伴います。 MIT リンカーン研究所で開発された小型ながら強力なレーザー通信 (lasercom) ペイロードは、ブラック ホールの注目の側面を画像化するために必要な高いデータ レートで動作します。

ベースライン距離を空間に拡張する

EHT は、干渉法、具体的には超長基線干渉法を使用して、M87 のブラック ホールの 2 つの既存の画像を作成しました。干渉計は、地球上の別々の場所にある複数の望遠鏡で同時に電波の形で光を収集し、発信源の方向を正確に特定するためにさまざまな場所での電波の位相差を比較することによって機能します。地球上の望遠鏡をさまざまに組み合わせて測定することにより、EHT のコラボレーション (観測所のスタッフも含まれる) が実現しました。 ハーバード・スミソニアン天体物理学センター (CfA) および MIT ヘイスタック天文台 — 本質的には、地球から5,500万光年離れた信じられないほど暗いブラックホールを画像化するために、地球サイズの望遠鏡を作成しました。

干渉計では、望遠鏡が大きくなるほど、画像の解像度が高くなります。したがって、これらのブラックホールのさらに細かい特徴に焦点を当てるには、より大きな装置が必要になります。天文学者が解決を望んでいる詳細には、ブラックホールに落ち込むガスの乱流（降着と呼ばれるプロセスを通じてブラックホール上に物質の蓄積を引き起こす）やブラックホールの影（ブラックホールがどこにあるかを突き止めるのに役立つ可能性がある）が含まれる。 M87 からのジェットはエネルギーを引き出しています)。最終的な目標は、ブラック ホールの周囲のフォトン リング (光が脱出する前に最も接近する軌道を周回する場所) を観察することです。フォトンリングの画像を撮影できれば、科学者はアルバート・アインシュタインの一般相対性理論を試すことができるだろう。

地球上の望遠鏡では、2 つの望遠鏡が互いに最も遠くにある場合は、地球の反対側、つまり約 13,000 キロメートル離れたところにあります。この最大基線距離に加えて、地球上の機器は大気によって制限されるため、より短い波長の観測が困難になります。地球の大気の限界は、EHT の基線を延長し、少なくとも 1 つの望遠鏡を宇宙に置くことで克服できます。これはまさに CfA 主導の提案です。 ブラックホールエクスプローラー (BHEX) のミッションを目指します。

この宇宙ベースの概念に伴う最も重要な課題の 1 つは、情報の転送です。最初の EHT 画像を生成するためのデータセットは非常に大規模 (合計 4 ペタバイト) だったので、データをディスクに保存して処理のために施設に輸送する必要がありました。軌道上の望遠鏡から情報を収集することはさらに困難になるでしょう。研究チームは、ブラック ホールの望ましい側面を画像化するために、宇宙望遠鏡から約 100 ギガビット/秒 (Gbps) でデータを地球にダウンリンクできるシステムが必要になるでしょう。

TBIRDに入る

ここでリンカーン研究所の出番です。2023 年 5 月、研究所の TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) lasercom ペイロードは、宇宙からの最速のデータ転送を達成し、次の速度で送信しました。 200Gbps これは、一般的な衛星通信システムよりも 1,000 倍高速であり、地球低軌道 (LEO) から送信されます。

「私たちは宇宙から地上まで大量のデータを転送するための新しい技術を開発しました」と研究所の副リーダーであるジェイド・ワン氏は言う。 光・量子通信グループ。 「その技術を開発する過程で、私たちはこの前例のないデータ能力を活用できるコラボレーションや他の潜在的な後続ミッションを探しました。BHEXはそのようなミッションの1つです。これらの高いデータレートにより、科学者は宇宙のフォトンリング構造を画像化できるようになります。」初めてのブラックホール。」

ワン氏率いるレーザーコム チームは、CfA と協力して、中地球軌道 (MEO) での BHEX ミッションに必要な長距離高速ダウンリンクを開発しています。

「レーザー通信は、宇宙からどのような天体物理学的発見が可能であるかという私たちの期待を完全に覆しています」と、BHEX ミッションの主任研究員である CfA 天体物理学者のマイケル・ジョンソン氏は述べています。 「今後10年で、この信じられないほどの新技術は私たちをブラックホールの端に導き、物理学の現在の理解が崩れる領域への窓を作り出すでしょう。」

TBIRD は信じられないほど強力ですが、BHEX が科学ミッションに必要とする高軌道をサポートするには、この技術にいくつかの修正が必要です。小型の TBIRD ペイロード (CubeSat) は、より大きな開口サイズとより高い送信出力にアップグレードされます。さらに、TBIRD 自動リクエスト プロトコル（大気の影響による損失なくデータが地球に到達することを保証するためのエラー制御メカニズム）は、MEO でのミッションに伴う長い往復時間を考慮して調整されます。最後に、データ配信のための TBIRD LEO の「バッファー アンド バースト」アーキテクチャは、ストリーミング アプローチに移行します。

「TBIRD やその他のレーザーコム ミッションにより、このような影響力のある科学ミッション用のレーザーコム テクノロジーが今日利用できることを実証しました」とワン氏は言います。 「本当に興味深い科学的発見の分野に貢献する機会を得られるのは、とても刺激的なことです。」

BHEX ミッション コンセプトは 2019 年から開発が進められています。BHEX の技術およびコンセプトの研究は、スミソニアン天体物理観測所、NASA ゴダード宇宙飛行センターの内部研究開発プログラム、アリゾナ大学、およびアルバック ハヤシ シードによって支援されています。 MIT International Science and Technology Initiatives の MIT-Japan プログラムからの資金提供。 lasercom に関する BHEX 研究は、Fred Ehrsam と Gordon & Betty Moore Foundation によって支援されています。