新たな研究によると、すべての衛星は地球の地表に情報を送信するために電波を使用しており、それが大きな問題を引き起こしています。
電波による送信は、天文学者がブラックホール、新たに形成されつつある恒星、銀河の進化を研究するために使う電波をかき消すことがあります。
科学者たちは、天文学者と技術者が新技術を試験し、電波干渉によって夜空が見えなくなるのを防ぐための、管理された環境を提供する施設の設立に取り組んでいます。
しかし、電波スペクトルの混雑が進むにつれ、利用者は時間、空間、あるいは周波数を共有しなければならなくなると、研究者たちは述べています。
可視光は、天文学者が宇宙の研究に用いる電磁スペクトルの一部にすぎません。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は赤外線を観測するために建造され、ほかの宇宙望遠鏡はX線画像を撮影し、また、グリーンバンク望遠鏡、超大型干渉電波望遠鏡群、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計をはじめ、世界各地にある数十の観測所が電波波長で観測を行っています。
電波望遠鏡は問題に直面しています。機能にかかわらず、すべての衛星は地球の地表に情報を送信するために電波を使います。ちょうど光害が星空を覆い隠すように、電波による送信は、天文学者がブラックホール、新たに形成されつつある恒星、銀河の進化を研究するために使う電波をかき消すことがあります。
私たちは、天文学と無線 技術に携わる3人の科学者です。今後数年間に数万基の衛星が軌道に投入されると予想され、地上での利用も増えるなか、電波スペクトルは混雑しています。これまで、電波静穏区域――通常は遠隔地に設けられ、地上からの電波送信が制限または禁止される地域――が電波天文学を守ってきました。
電波による汚染が深刻化するにつれて、科学者、技術者、政策立案者は、限られた電波周波数帯を誰もが効果的に共有する方法を見つける必要があります。私たちがここ数年取り組んできた解決策の一つは、天文学者と技術者が新技術を試験できる施設を設け、電波干渉によって夜空が見えなくなるのを防ぐことです。
電波による天文学
電波は電磁スペクトルの中で最も波長の長い放射であり、波の山と山の間の距離が比較的大きいことを意味します。電波望遠鏡は、ミリメートルからメートル単位の波長の電波を集めます。
電波望遠鏡になじみがなくても、そこで行われている研究については耳にしたことがあるでしょう。驚くべき降着円盤の初画像は、ブラックホールの周囲で撮影されたもので、いずれもイベント・ホライズン・テレスコープによって得られました。この望遠鏡は世界各地の8基の電波望遠鏡からなるネットワークで、構成する望遠鏡はそれぞれ、電波周波数の干渉が非常に少ない場所、すなわち電波静穏区域に設置されています。
電波静穏区域とは、携帯電話の基地局など、地上の送信機に対して、感度の高い電波機器に影響を与えないよう出力を下げることが義務づけられている地域です。米国にはこのような区域が2つあります。最大の国立電波静穏区域は、主にウェストバージニア州とバージニア州にまたがる13,000平方マイル（34,000平方キロメートル）を占めています。ここにはグリーンバンク天文台があります。もう一つのテーブルマウンテン野外観測所・電波静穏区域はコロラド州にあり、複数の連邦機関による研究を支えています。
同様の電波静穏区域には、オーストラリア、南アフリカ、中国の望遠鏡があります。
衛星の急増
1957年10月4日、ソビエト連邦はスプートニクを軌道に打ち上げました。この小型衛星が地球を周回するなか、世界各地のアマチュア無線愛好家は、地球に向けて送られた電波信号を受信することができました。この歴史的な飛行以来、無線信号は航空機の航法からWi-Fiまで、現代生活のほぼあらゆる側面に欠かせないものとなり、衛星の数は指数関数的に増加しました。
電波送信が増えるほど、電波静穏区域での干渉への対処は難しくなります。現行法では、甚大な影響を及ぼす可能性のある衛星送信機からこれらの区域を守れません。ある事例では、イリジウム衛星からの送信が、電波天文学用に割り当てられた保護周波数帯で行われた暗い恒星の観測を完全に妨げました。
スターリンクやワンウェブなどの衛星インターネット網は、いずれ地球上のあらゆる場所の上空を飛行し、地表に向けて電波を送信するようになります。まもなく、電波天文学にとって真に静穏な場所はなくなるでしょう。
空と地上での干渉
1980年代、ロシアの全球航法衛星システム――実質的にはソビエト連邦版のGPS――は、ある周波数で送信を開始しました。その周波数は公式に電波天文学のために保護されていました。研究者たちは、この干渉への複数の対策を提案しました。ロシアの航法システムの運用者が衛星の送信周波数を変更することに同意したときには、試験と連絡の不足により、すでに大きな損害が生じていました。
多くの衛星は電波スペクトルの一部を使って地球を観測し、天気予報や気候研究に重要な地表の土壌水分などの特性を監視しています。これらの衛星が利用する周波数は国際協定によって保護されていますが、電波干渉の脅威にもさらされています。
最近の研究によると、NASAによる土壌水分測定のかなりの部分が、地上レーダーシステムや民生用電子機器からの干渉を受けています。干渉を監視し、影響を考慮する仕組みは整っていますが、国際的な連絡と打ち上げ前の試験によって問題を未然に防ぐほうが、天文学にとって望ましいでしょう。
混雑する電波スペクトルへの対策
電波スペクトルの混雑がさらに進むにつれて、利用者は共有を迫られます。共有の方法として、時間、空間、あるいは周波数を分け合うことが考えられます。具体的な方法にかかわらず、解決策は管理された環境で試験する必要があります。協力の兆しも見えています。全米科学財団とスペースXは最近、電波天文学に資する天文学分野の協力協定を発表しました。
天文学者、技術者、ソフトウェアおよび無線の専門家と協力し、全米科学財団の支援を受けて、私たちは一連のワークショップを主導し、全国規模の電波ダイナミックゾーンがどのような役割を果たせるかを検討してきました。このゾーンは既存の電波静穏区域に似ており、広い地域を対象に、周辺での電波送信を制限します。静穏区域とは異なり、この施設には高感度のスペクトル監視装置が設置され、天文学者、衛星企業、技術開発者が、大規模に受信機と送信機を一緒に試験できるようになります。目標は、電波スペクトルの創造的かつ協調的な利用を支えることです。たとえば、電波望遠鏡の近くに設けたゾーンで、基地局のような能動的利用と電波望遠鏡のような受動的利用の双方に、より広い帯域幅へのアクセスを提供する方法を試験できます。
私たちがつい先日発表した新しい論文では、電波天文学者から衛星運用者まで、電波スペクトルの利用者や規制当局に話を聞きました。その結果、大半が、電波ダイナミックゾーンは今後数十年間に生じる多くの深刻な干渉問題の解決に役立ち、場合によっては未然に防げる可能性があると考えていることが分かりました。
このようなゾーンはまだ存在しませんが、私たちのチームと米国各地の多くの人々が構想の具体化に取り組んでいます。電波天文学、地球観測衛星、政府および商用の無線システムが、貴重な天然資源である電波スペクトルを共有する方法を見つけられるようにするためです。
