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マサチューセッツ大学天文学科のGrant Wilson教授は、数年前から大型ミリ波望遠鏡（LMT）プロジェクトに取り組んでいます。
Wilson教授は、ナノサイエンスのJames Robinsonとの対話の中で、TolTECの要件、オックスフォード・インストゥルメンツの希釈冷凍機の利用、LMTの歴史など、プロジェクトに関する重要な洞察を語っています。Grant Wilson教授の最新のウェビナーを見るにはこちらをクリックしてください。
LMTは、マサチューセッツ大学とメキシコ国の共同プロジェクトです。このプロジェクトは、国立天体物理学・光学・電子工学研究所のDavid Hughes所長と、マサチューセッツ大学のF. Peter Schloerbプロジェクトマネージャーが主導しています。
LMTは、直径50メートルのディッシュで、全表面の粗さ二乗平均平方根（RMS）を75ミクロンにすることを目指しています。これまでは85まででしたが、順調に進んでいます。この望遠鏡は、メキシコシティ近郊のシエラ・ネグラという休火山の山頂に設置されており、メキシコ史上最大の科学プロジェクトであると確信しています。私たちは、学生を定期的に望遠鏡に派遣し、次世代の天文学者を育成する伝統を誇りに思っています。
望遠鏡を使った初期科学活動は5年目に入りますが、開始以来、この望遠鏡が非常に価値のある装置であることを示してきました。私たちは、この望遠鏡を劇的に改良して、科学を行う効率を高めたいと考えています。
私たちの宇宙には、信じられないほど広大なスケールの天体物理学的プロセスが存在しています。ミリ波の測定というと、一般的には宇宙のマイクロ波背景を思い浮かべます。しかし、それよりも小さなスケールでは、スンヤエフ・ツェルドヴィッチ効果によってミリ波で明るい発光をする銀河団があり、これがメガパーセクのスケールでの発光に影響を与えています。
しかし、もちろんクラスターは、そこに生息する銀河によって構成されています。繰り返しになりますが、これらの銀河団はミリ波で非常に明るく、地球規模での星形成や銀河の研究が可能です。銀河を拡大して、より小さなスケールでの星形成を測定することができ、分子雲では数百パーセクの大きさになりました。さらには、星が形成されている途中の状態を捉えたり、星の中で惑星が発生する原始惑星系円盤の中を見たりすることもできるので、見所はたくさんあります。
私たちにはAtacama Large Millimeter Array (ALMA)のような素晴らしい施設があります。これは、角度秒以下のミリ波のイメージングと分光に特化した望遠鏡の配列です。非常に小さなスケールでのプロセスを理解するためには、そのプロセスが起こっている環境も理解する必要があります。これはALMAにはできないことです。
銀河は非常に小さいので、それぞれの銀河が置かれている環境を理解するためには、銀河で埋め尽くされた比較的まばらなフィールドをマッピングする必要があるのです。大規模なダストの放出を見て、どこにガスがあるのか、どこで星が生まれているのかを追跡できるようにしたいのですが、この課題に対する答えは、大型の単板式望遠鏡です。シングルディッシュ望遠鏡は、1枚の皿の後ろに大きな検出器を並べることができ、大きな開口部により必要な解像度を得ることができます。
そこで私たちが注目したのは、「運動インダクタンス検出器」という新しい検出器技術です。超電導体から誘導体を作り、超電導体に光を当てると、光子のエネルギーがクーパー対の結合エネルギーよりも大きければ、クーパー対を壊すことができます。そのクーパー対を壊して、その破壊点をインダクタンスの変化として測定することができます。
敏感なインダクタンスのプローブを、コンデンサとの共振回路に入れて、ちょうどLC共振回路になります。そして、その共振回路を伝送線路上の信号で探ります。共振周波数を中心とした周波数範囲を掃引すると、各周波数で投入した電力に対する出力の比であるS21にディップが生じます。インダクタの光学的負荷を変化させると、インダクタのインダクタンスが変化してディップがシフトするのがわかります。
この作業を一度だけ、しかもきれいに行うことができれば、同じ伝送路に複数の共振回路を設置することができます。ここでは、すべての共振器でインダクタを同じにして、コンデンサを変えていくことにします。
最初に使ったのは「AzTEC」というカメラです。2000年代初頭に開発されたもので、当時は巨大なカメラに見えましたが、総画素数は144画素で、これを有効に活用しました。銀河を見つけたり、原始惑星系円盤を撮影したり、プランクなどの実験と連携して中心分子領域（Central Molecular Zone：CMZ）などの大規模なマップを作成できることを証明しました。このカメラは2017/18年に引退しました。
AzTECは、1つのアレイを持つ単一周波数の機器でした。しかし、アレイのサイズを2倍、3倍にすることができれば、それに見合った、あるいはそれ以上のスピードでサイエンスを行うことができると考えました。そこで、どのような検出器技術があるかを検討した結果、1.1ミリ波アレイの約30倍の大きさのカメラを作ることができ、さらに他の大気の窓を利用するために他の色のアレイを追加することも可能だと判断しました。最終的には、60倍の検出器が必要になりますが、そのためにはヘリウムを充填したクライオスタットからの脱却が必要でした。
私たちは、オックスフォード・インストゥルメンツ（OI）の冷凍機を含むモジュール式のシステムを構築することにしましたが、OIのチームは素晴らしい仕事をしてくれました。チームは時間をかけて、機械的にも適合する高熱伝導率のリンクを実装する方法を考えました。これは本当にうまくいきました。
全体的に見て、このシステムは非常に堅牢で、うまく機能していると思います。私たちのシステムでは、銅製のバーをシリンダーに沿って配置しています。これにより、銅製のバーが出入りし、長手方向には準拠しますが、半径方向には移動しないため、熱によるショートが発生しません。1ケルビンの静電リンクと0.1ケルビンの混合室リンクがあり、これがシステムの主要な熱インピーダンスになっています。このブレードの柔軟性と、このリンクを作ったり切ったりできることは、私たちにとって不可欠です。これをやろうとしている人は、ミリケルビンの温度では厳しいので、このリンクをよく見ておいた方がいいでしょう。
私たちは、LMTで100時間のパブリック・レガシーサーベイを10回行うことを計画しています。世界中の天文学者を集めてワークショップを開き、LMTの100時間を使ってどのようなことができるかを検討します。調査が完了したら、そのデータをすべて公開します。LMTの100時間がどのくらいに相当するかというと、LMTプロジェクトの30年間の総コストを合計すると、1晩でおよそ3万5,000ドルから4万ドルになります。これは私たちのグループにとって大きな時間の投資であり、私たちはこのプロジェクトから多くの科学的成果を得られるよう、非常に熱心で真剣に取り組んでいます。
今のところ、この100時間のサーベイのうち、最初の4つのサーベイの定義を終えています。その内容は、「雲から粗密まで」と呼ばれる調査で、星形成と分子雲を調べるというものです。また、「磁場とフィラメント」調査では、プランク衛星が行ったのと同じ方法で、はるかに小さなスケールで、塵に照らされた磁場を測定しています。また、銀河系外の宇宙に関する2つの調査も行っています。これは、空の小さな領域を深く掘り下げて、銀河の集団、特にスターバースト銀河の集団を調査するものです。
私たちは早く望遠鏡を使いたくてたまりませんが、いつ望遠鏡を使えるようになるかは、COVID-19の後、メキシコで十分な安全が確保されるかどうかにかかっています。年内にはレガシーサーベイを開始したいと考えていますので、旅ができるようになったらすぐにでも行きたいと思います。
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Professor Grant Wilson
James Robinson
Interviewer
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