１０光年先を見るために

２．課題設定
　まず最初に課題設定を行った。以下に出てきた観測したい項目を波長ごとに分けて列挙する。

１）惑星の有無は確認できるか？
２）大気や水の有無は確認できるか？
３）地球型惑星の表面の様子はわかるか？
４）建造物など都市の様子などを確認できるか？
５）異星人の顔は確認できるか？

６）電波放送は受信できるか？
７）核実験は検出できるか？
８）宇宙船の核パルスは検出できるか？

１）～５）は明らかに可視光線または赤外線領域の話だ。６）は電波の話だし、７）、８）はＸ線・γ線である。では３～５章にかけて、実際に考察を行っていく。

３．可視光線・赤外線
　まず基本として、１）の「惑星を見るためには」を考える。大きさは地球程度だと考えると、大体１万km程度のもの、ということになる。詳しい計算は７章 の「補足」に譲るとして、結果としては１光年先だと見かけの大きさは0.2ミリ秒角(mas:mili arc second)ということになる。つまり１０光年先だと0.02mas。計算を簡単にするために0.01masとしよう。
今、すばる望遠鏡（口径８ｍ、簡単のために１０ｍとする）の分解能が１０mas程度の分解能であり、分解能は単純に口径に反比例するので、３桁分解能を上 げるには３桁口径を大きくすれば良い。となると１０ｋｍ。ただしこれだと惑星が点として写るだけなので、せめてWindowsデスクトップ程度に写るよう な解像度（ＸＧＡくらい）が欲しいとなると、さらに３桁上げて１万ｋｍ。地球サイズの鏡があれば何とか。ちょうど１０ｋｍの大きさの物が点として写る程度 だ。
しかしこれだけのサイズの物を向けたい方向に動かすのはかなり難しい。そこで干渉計を考えることにする。光・赤外干渉計だ。これならば惑星の光を捉えることが出来る口径の望遠鏡を必要なだけ離してやればＯＫだ。
ではどれくらいの口径が必要かというと、１光年先から地球を見ると、その明るさは1mJy。１０光年先だと明るさは１００分の１で0.01mJy。すばる望遠鏡ならば十分捉えることが可能だ（図１）。
これで惑星の写真を撮影するための大体のスペックが決まった。口径１０ｍの望遠鏡を複数台、地球と静止衛星軌道あたりに置く。もしくはもうちょっと小さな惑星でも検出・観測できるように、地球－月系の干渉計を構築すればよい。
観測手順としては、まず相手恒星系の恒星が邪魔になるので、コロナグラフという特殊な加工を施した望遠鏡でもって、少し倍率を落として、惑星の位置を検出する。その後、干渉計でイメージを作るのだ。

ではこれを基本として２章で列挙した２）～５）を検討してみよう。
２）はスペクトルの話なのでここでは一旦置いておく。すると検討にのぼるのは３）～５）だが、スケールとしては以下の様になる。
３）サイズ１～１０km程度　→　分解能10μas～1μas
４）サイズ１０～１００m程度　→　分解能0.1μas～0.01μas（100nas～10nas）
５）サイズ１～１０cm程度　→　分解能0.1nas～0.01nas

上記のスケールを点ではなく、撮影できる程度の分解能で達成するには、３）は１）よりも３～４桁干渉計の基線長を長く取る必要があるので、１千万～１億 ｋｍ離した干渉計が必要となる。まぁ、１ＡＵも離せば良いのだから、地球近傍と太陽－地球系のラグランジュ点（三角形解）あたりに設置すればＯＫである。
４）はさらにそれよりも２～３桁上なので、１００億～１千億ｋｍ。ＡＵで言うと約６０～６００ＡＵ。すでに現実的な数字では無くなってきた。冥王星軌道の両端に望遠鏡を設置して干渉計にする必要があるが、これは同期を取ることが出来ないのでは？
５）はさらに２～３桁上がるので６万～６０万ＡＵ。光年で言うと１～１０光年。相手の星系まで探査機を飛ばした方が手っ取り早い。

というわけで、現実的には１０光年先の「惑星表面の都市の様子が観測できる」くらいまでが現実的な値と言えよう。

ではスペクトル観測をする必要のある２）であるが、これは惑星が十分な明るさで観測できれば問題ないので、１）を満たすことが出来ればほぼ大丈夫という 判断をしてよい。ただしぎりぎり写るという程度では分光できないので、ある程度は余力を持たせる必要がある。明るさは口径だけに拠るので、１０ｍ程度の口 径があればぎりぎり。余力を持たせるためには数等級暗いところまで検出できる必要があるとすると３倍程度、つまり３０ｍ程度の口径があれば十分であろう。

４．電波
　例えば１０光年先から現在の地球から出て行く電波を捉えることが出来るかどうかを考える。そこでまずは現在の電波望遠鏡の感度を基にして、１０光年先での放送される出力の下限値を算出した。
さて、現在の電波望遠鏡の感度は大体0.1ｍＪｙ（ミリ・ジャンスキー）という値である（図１参照）。Ｊｙという単位はあまりなじみのないものであると 思われるが、これはＳＩ単位系では1E-26Ｗ/ｍ^2/Ｈｚとなる。従って0.1ｍＪｙは1E-30Ｗ/ｍ^2/Ｈｚとなる。
ここから放送出力を算出する。１０光年という距離は約1E+17ｍだから、これを掛け合わせると最低限の放送出力は1E+4Ｗ/Ｈｚとなる。周波数あた りの強度が１０ＫＷということだが、通常はもっと大きな出力で放送しているため、十分検出（視聴）可能だといえる。逆に言うとこれよりも出力の弱い、例え ばアマチュア無線や地域ＦＭなどを受信するのは不可能と考えて良い。

また分科会内では議論がなかったが、分解能に関しては可視光線の１）と同等の分解能を現在のＶＬＢＩで達成していることから、地球型惑星の表面で強力な電波を発している箇所を特定できる程度の能力は十分あると考えられる。従って７）はクリア可能だろう。

５．Ｘ線・γ線
　これはかなり難しいのだが、２つの事柄に分けて考えよう。１つは分解能、そしてもう一つは感度である。
まず分解能だが、Ｘ線はともかく、現在のところγ線に分解能を求めるのはかなり難しい。というのも、現在のγ線観測は基本的に空気シャワー現象に伴う チェレンコフ光を観測している。そのためγ線のやって来た方向はそれなりの精度で特定できるが、ある程度以上の範囲まで絞ると、それ以上は誤差の範囲内に なってしまい、放射源の位置を特定するのは不可能と言って良い。実際、γ線バーストなどの観測も発生後すぐに光学望遠鏡がフォローアップ観測を行い、発生 源を特定している。
Ｘ線の方は数年前に国立天文台で開催された「大風呂敷研究会」で発表された物の中に１masの分解能を達成するという構想があることから、２０年くらい のスパンで、このレベルが達成される可能性がある。つまり、現在のすばる望遠鏡クラスの分解能は達成されると考えて良い。ただし、干渉計に関しては同期を 取るのがほとんど絶望的なので、これ以上あげるのは無理かと考える。

続いて感度だが、あるエネルギー幅の中に入る光子の数が１秒、１平方ｃｍあたり1E-5個くらいまでは誤差が少なく測ることが出来ると言って良いと思わ れる。もちろん観測時間（積分時間という）を延ばせば、もっと暗い天体でも写るのだが、誤差を考えるとあまりお奨めは出来ない（図２）。

さて、ではこのスペックで１０光年先の何が見えるのかという話だ。つまり８）と９）を考えるわけだ。まずＴＮＴ換算で１メガトンクラスの核爆弾が発する エネルギー量は約1E+16ジュール。電子ボルトに換算するとざっと6E+34電子ボルト。これが全て１キロ電子ボルトのフォトンに変わったとすると、 6E+31個のフォトンに変わる。ちなみに１キロ電子ボルトという値を採用したのは、その辺のエネルギーレンジがもっとも感度よく検出できるからだ。とい うわけで、これが地球近傍にたどり着いたときにどの程度のフォトン数になるかというと、１平方ｃｍあたり6E-6個。ぎりぎり見えそうな気もするが、これ では検出は無理である。誤差とかノイズに埋もれてしまっているために８）は完全に玉砕である。つまりその程度のものは見えないのだ。逆に見えるとすると、 上記の仮定の下でもＴＮＴ換算でせめて１０～１００メガトン。もちろんニュートリノに持って行かれる分や、その他の波長に食われる分を考えるとさらに ２～３桁くらい上でないと検出は出来ないことになる。そう言う意味では９）も不可能だろう。
すると、１メガトンクラスの核爆弾が１光年先で爆発しても、Ｘ線では見えない・・・可視光線でも・・・かもしれない。

６．最後に
　いろんな人から感想をいただいたが、「意外と見える」「意外と見えない」という意見が全てを物語っていると言える。これは参加した各人が「どの辺までは 見えるだろう」と漠然と抱いていたイメージにかなりのばらつきがあったことを物語っていると言える。ただ言えることは、どちらかというと「意外と見えな い」と思う人が多かったことだ。私自身も今回の分科会に先立ってかなり綿密に資料を集めた上、計算も行っていたが、思ったよりも見るのは大変そうだと思っ たのだ。
例えば可視光線・赤外線では、「そう苦労しなくても冥王星レベルは見えるだろう」とか「小惑星の大きいヤツは見えるだろう」と思っていたが、結構技術的 に高いものを求められると感じた。実はこの原稿を書いている最中に気がついたのだが、地球と土星の見かけの明るさがほぼ同じ、天王星、海王星あたりはすば る望遠鏡では検出不可能だということがわかった。何と恒星から離れすぎた惑星は、例えそれが巨大惑星であっても内惑星よりも暗くなってしまうのだ。そうい う意味では望遠鏡は大きいに越したことはないのだろう。

７．補足資料
　以下に、計算を簡単にするための、いくつかの数値を挙げておく。

１）大きさ＆角度
・ラジアンから秒角への変換　×2.0E+5
・１光年＝約1.0E+13km＝1.0E+16m＝1.0E+18cm
・地球型惑星の直径＝約1.0E+4km＝1.0E+9cm
・地球型惑星の見かけの大きさ（１光年先）＝1.0E-9ラジアン＝2.0E-4as＝0.2mas
・上記をＸＧＡで見たければ・・・
１０ｍ鏡で１０mas程度の分解能なのだから、1.0E+3倍
1000＊1000Pixcelくらいで見たければ、1.0E+3倍
６桁上げればよい　・・・　１万km

２）明るさ
・地球型惑星の明るさ　＝　1.0E-8erg/cm^2/s/sr/Hz
・地球を１光年先から観測すると
単位面積あたりの明るさ×面積／距離の２乗なので
(1.0E-8)×1.0E+18／1.0E+36　＝　1.0E-26　＝　1mJy
・上記を可視光線での等級で言うと約２８等