深宇宙からのノイズ信号からわかること

空を見上げてください。太陽系の外のどこか、気温が氷点下をはるかに下回り、真っ暗で、次に近い恒星まで 400 世紀も離れた場所で、電気の充電によって無線信号が発せられます。その信号はかすかな 22 ワットほどで、一般的な冷蔵庫の電球に必要な電力と同程度です。発信源はボイジャー 1 号です。その 12 フィートのアンテナが暗闇から地球に呼びかけています。

20 時間ほど後、壮大な星間旅を経て、この波は地球に到達します。信号が地球に到達するまでに、その強度は劇的に減少し、約 1 億分の 1 ワットにまで低下しています。信号の太陽系を横断する旅は終わりましたが、航海はまだ始まったばかりです。今、課題は銀河の片隅を横断することよりもさらに大きなものです。それは、私たち自身が作り出した最も遠いささやきであるメッセージ内の情報を聞き、理解することです。

このほとんど何もない小さな一片を捉えるには、高度に訓練された技術力の高い耳が必要です。しかも、その数は数に及びます。ボイジャー 1 号と 2 号の場合、その耳は 21 階建ての高さの 3 つの皿の形をしており、それぞれ直径 230 フィート、重さ約 3,000 トンで、地球全体に均等に配置されています。深宇宙での受信専用に特別に作られたこの耳は、探査機からの毎日のステータス レポートを受信するために上空を向いています。

DSS-14 と呼ばれるパラボラアンテナの 1 つは、最寄りの高速道路から約 60 マイル離れた、南カリフォルニアのモハーベ砂漠の寂しい一角にそびえ立っています。このアンテナは、はるか昔の火山の残骸である低く険しい山々の間の小さな谷間にあります。このアンテナの近くに行くには、フォート アーウィン軍事基地の 2 層のセキュリティ ゲートを通過しなければなりません。詳細な説明で、不発弾、3 種類のガラガラヘビ、ラクダグモ、サソリ、野生のロバの群れなど、近隣の生物について紹介されます。ロバは、何も知らない訪問者にただ面白半分に駆け寄って噛みつこうとします。

DSS-14 は道路の曲がり角に現れ、歩哨のように立ち、明るい砂漠の地面に長く歪んだ影を落とします。頭上では、ヒメコンドルが風に乗ってその縁を飛んでいます。突風と砂の上を歩く足音以外は、すべてが静まり返っています。しかし、どこか人間の耳には聞こえない音も聞こえ、宇宙のざわめきに混じって別の音が聞こえます。

フォートアーウィンにある複合施設（NASAのジェット推進研究所が、長らく放置されていた鉱山の町にちなんでゴールドストーンと名付けた）には、12基ほどの小型アンテナも設置されており、最初のアンテナは1958年に稼働を開始した（使用中止となったアポロのアンテナは、今も雑木林の地面にそのまま残っている）。オーストラリアのキャンベラ郊外のブッシュ地帯や、マドリード近郊のロブレド・デ・チャベラにも、1965年に設置された同様のアンテナがある。DSS-14とその国際版は、1960年代から70年代にかけて設置された。1964年のマーキュリー4号ミッション以来、これら3つのアンテナアレイは、低地球軌道上に送ったすべての宇宙船と私たちを結んできた。

巨大な耳の配置が鍵です。3 つのサイトは経度によって間隔が空いており (360 度をカバーするには 120 度離れています)、近接して配置されています。ほとんど何もないところに近いです。隔離されているため、強力な宇宙信号と地上の通信 (航空管制の雑音など) が互いに干渉することはありません。

3つの施設とそのアンテナは、カリフォルニア州パサデナ近郊のJPL本部で運営されているプログラム、ディープ・スペース・ネットワークを構成している。このシステムは、約40機の探査機、宇宙船、衛星、ローバーからの信号を絶えず受信し、それらにコマンドを送信している。月と同じくらい近いものもあれば、木星の周りを高速で周回するジュノーや、2015年半ばに冥王星を周回したニューホライズンズのように遠くにあるものもある。そしてもちろん、ボイジャー1号と2号も、木星と土星を調査するために1977年に打ち上げられた。これらは、NASAやJPL、あるいは誰かが監督するミッションの中で最も古く、最も遠くまで及ぶものだ。

2 機のボイジャーからのダウンロードは、低エネルギー荷電粒子、磁場、そして宇宙の大部分を占めるプラズマに関する観測結果など、星間空間の希薄な世界についての洞察をもたらしている。データは 1 と 0 の文字列として波形に乗せられ、速度は 160 ビット/秒 (これは最も遅いファックス接続の情報量の 15 分の 1) である。物理学者はこれを研究することで、太陽圏 (太陽系を取り囲む磁気圏) の輪郭を描き出したり、太陽風の速度を決定したりすることに役立っている。

NASA がより高速で高密度の光通信システムを実験している今、無線は消え去るだろうと考えるのは簡単です。しかし、無線が他を凌駕することは決してありません。ボイジャー探査機が技術を極限まで押し上げるにつれ、飛行経路に沿って無線波が収集するすべてのユニークな洞察が思い出されます。信号が惑星、衛星、小惑星を通過するときに拾うノイズは、宇宙の近隣地域への窓を提供します。場合によっては、ノイズはメッセージ自体と同じくらい価値があります。

ジェット推進研究所の敷地内の部屋の床には、「宇宙の中心」と書かれた銘板が埋め込まれている。太陽系に送るあらゆる物体からの信号はすべて、この施設に出入りする。暗室と呼ばれるこの部屋は、数十台のモニターの光で薄暗く明るくなっているが、ディープ スペース ネットワークの初期から 24 時間体制でスタッフが配置されている。ここでは、雨でも、ほとんどの地震でも、火事でさえも、業務を停止させることはできない。数年前に火災が発生したとき、エンジニアたちは煙の中を遠隔で端末を監視し、宇宙からの電話を 1 つでも聞き逃さないようにした。

ちょうど今、2 台のスクリーンの周りに集まった髭を生やした 2 人の男性が、数字と色分けされた線の列を見つめている。これは、2016 年から木星を周回している探査機ジュノーからのダウンリンクだ。ネットワークの運用と関連するダークルームの活動を管理しているマイク レベスクが近くに立って、プロセスを見守りながら説明している。「あれらがデータ システム オペレーターです」と彼は髭を生やした 2 人の男性にうなずきながら言う。「彼らの仕事は、温度、燃料、電源のオン/オフなどの宇宙船情報を抽出し、ミッション サポートに送信することです」。たとえば、ボイジャー 1 号の場合、160 ビットのうち、宇宙船内で起こっていることに関連するのは 10 ビット程度だ。

残りのデータパケットは、主にエンジニアではなく科学者の元へ送られる。科学者は、探査機自体よりも、探査機の周囲の空間について機器が何を伝えてくれるかに関心がある。

スクリーンの前にいる二人の男は、すべての 1 と 0 をクリーンアップするプログラムを実行しています。しかし、干渉も興味深いため、ノイズを保存することもあります。信号があらゆる媒体を伝わる際、大気や重力場によって激しく揺さぶられ、その結果生じる波の変化から宇宙の真実が明らかになります。「宇宙船が興味深い場所を移動しているとき、ノイズ データこそが私たちが求めているものになります」とレベスクは言います。そのような瞬間、「信号内のノイズが科学であることが判明するのです」。

そうなると、データは JPL の惑星レーダーおよび電波科学グループを率いるカマル・ウドリリ氏に送られる。同氏は、自分の分野を理解するには、子供たちを乗せたスクールバスを想像するとよいと説明する。運転手の唯一の目的は、子供たちを全員無事に送り届けることだ。しかし、子供たちにまったく関心がなかったらどうなるだろうか。その代わり、本当に興味があるのがバスだったとしたらどうだろう。

ウドリリ氏の例え話では、小学生は信号で運ばれるデータであり、信号はバスである。航空技師や管制センターの職員は、ほとんどの人が子供たちを気にかけるのと同じように、データを気にかける。しかし、無線科学者は、ノイズで満たされた乗り物自体にもっと興味を持っている。

バスを注意深く観察すれば、目的地に向かう途中でバスがどのような経験をしたかが分かる。傷や欠陥、醜く変形した部分などは、その旅について語ってくれる。単に通った道だけでなく、他の乗り物、天候、ルート沿いの交通状況などだ。ウドリリのような人々は、宇宙ほどの規模で、こうした無数の欠陥を精査する。

初期の無線科学実験の多くは意図的なものではありませんでした。1971年にマリナー9号探査機が火星を通過したとき、その信号は赤い惑星の大気を通過し、衝突して電波を変化させました。「通信業界の人々はそれを干渉と見ましたが、干渉を研究すれば火星の大気の密度、圧力、さらには温度までもがわかると考えた人もいました」とウドリリ氏は続けます。「それが無線科学の始まりでした。」

それ以来、宇宙から伝わるノイズを注意深く観察することで、太陽系に関する理解が深まってきた。たとえば、カッシーニ探査機の送信の乱れは、土星のカラフルな環が惑星自体よりもずっと後になってから形成されたこと、つまり 45 億年前ではなく 1,000 万年から 1 億年前に形成されたことを明らかにするのに役立った。2012 年の NASA の GRAIL 月探査ミッションでは、2 機の探査機が電波を送受信して月の内部について調査した。重力場が送信に干渉する様子を調査することで、月周回衛星の地殻の大部分がこれまで考えられていたほど密度が高くないことが証明された。

ウドリリは、無線科学のシンプルさを愛しています。信号は、振幅 (高低)、位相 (山と谷のパターン)、周波数 (一定期間内の急激な変化と急降下の数) を持つ波です。これらの特徴の歪みは簡単に見分けられます。波紋が大体どのように現れるかがわかれば、変化がいつ起こったかがわかります。それは、パターンがわかる前に煙幕が吹き飛んでしまい、感じられないそよ風に気付くようなものです。

ボイジャー探査機の宇宙的な音には、無線科学の重要な一面が常に含まれます。どちらの探査機も時速 38,000 マイルで深宇宙へと飛行を続けると、ドップラー効果と呼ばれる音響現象によって信号の波長がわずかに伸びます。救急車が猛スピードで通り過ぎるとサイレンの音が歪むのと同じです。この変化から、地上の乗組員は、毎日のチェックインから呼び出しが届くまで約 20 時間の間にボイジャーがどれだけ飛行したかを知ることができます。また、この変化は、恒星間開拓者の進路を引き続き調査するのにも役立ちます。探査機がどこへ向かっているかがわかれば、探査機を再び聞くために巨大なアンテナをどこに向ければよいかがわかります。

各探査機が主なミッションを完了した今、新たな目標は「いかにしてそれを延ばし、どれだけ長く飛ばせるか」だ、とボイジャーのプロジェクトマネージャーであり、JPLの惑星間ネットワーク局長でもあるスザンヌ・ドッドは言う。

太陽系外探査機に指令を伝達し、深宇宙の洞察の機会が減るのを遅らせる作業は、主に探査機の電力管理にかかっている。この時点で、搭載されている冗長システムはすべてオフになっている。つまり、両機とも極寒の星間空間で熱をほとんど発生していないため、燃料ライン内のヒドラジン推進剤が凍結する可能性がある。ミッションコントロールはシステムを巡回し、ラインを温めるためだけに維持する価値があるものを探す。これは、まだ稼働している最も古いコンピューターのいくつかでのパッチ作業である。

ボイジャーのミッションコントロールセンターは、JPL キャンパスから数マイル離れた、看板もなく高い窓のあるコンクリートブロックの建物にあります。植物の壁の後ろにぽつんと建っている、瞬きすると見逃してしまうような建物です。隣にはマクドナルドがあります。ここは、12 人のチームが人類がこれまでに作った最も遠い物体を生かし、操縦し、世話し、宇宙へと導いている場所です。

そこでは、人々が聞きたいのはノイズではなく信号です。宇宙船システムエンジニアのフェルナンド・ペラルタは、ボイジャー1号と2号が地球に送るメッセージ、つまりウドリリのバスに乗っている子供たちのことをとても気にかけています。完璧でないものは何でも、どんなに不鮮明なものでも、彼は困惑します。「信号を受信し、それが波打っているのを見ると、なぜ上下に動いているのだろうと考えます。宇宙船の全体的な状態の問題かもしれませんし、曇りや風の強い日だっただけかもしれません。しかし、私たちにとって、ノイズが多すぎるのは大惨事です。」

波紋が乱れると、この探査機だけが提供できる音風景を見逃す恐れもある。ボイジャー 1 号には、太陽系の境界を越えて一種の海流を作り出すプラズマ波、変動するイオンと電子を記録するためのデジタル 8 トラックが搭載されている。デッキは今も電源がオンになっており (燃料ラインを解凍するのに十分な熱を発するためでもある)、週に 3 回、48 秒間の周囲の振動音を捉えている。ボイジャー 1 号がデータを投下すると、カリフォルニアまたはスペインにあるすべての稼働中のアンテナが、少なくとも 4 時間かけて、深宇宙の果てまで届く波打つような、幽玄な雑音を拾い上げる。

ペラルタは、小部屋が密集する中を歩いていく。頭上には、天井から吊るされた小さな看板に「ミッションコントロール」と書かれている。マイクロフィルムリーダーの両側には最新のコンピューターが並んでおり、チームはそこで古い設計図を参照している。彼は、この時点で、ボイジャー探査機 2 機の多くのシステムのシャットダウンを監督してきた。彼が戻ってきて、2 機が再び故郷に帰ったことを知るたびに、1 日が余分に過ぎたように感じる。「ここは宇宙の特別な場所で、私が生きている間、あるいはおそらく私たちの一生のうちに再び訪れることはないでしょう」と彼は言う。「データは非常に貴重です。私たちにとって貴重なものです。それが私たちを結びつけているのです。」

まもなく、数か月、数年後には、その接続は切れるだろう。ボイジャー 1 号または 2 号の熱が十分に減少して燃料ラインが凍結し、推進剤がスラスターに届かなくなり、宇宙船は飛行経路をほんの少し調整したり、アンテナを地球に向けたり、挨拶したりすることができなくなる。宇宙船からのメッセージは依然として宇宙を流れているかもしれないが、私たちはそれをキャッチして解読することはできない。プロジェクト マネージャーのドッドは、そのことを淡々と説明する。「信号は失われるでしょう。それで終わりです。」

ボイジャー II 号のガスが尽きる前から、ミッション チームは通信切断期間の準備を進めている。地球から遠ざかる探査機の軌道は太陽系の平面より下になるため、受信できるのはオーストラリアの受信アンテナのみだ。NASA は、無線ベースの通信を光で補う今後の取り組みに備えて、このアンテナにテスト用のミラー アレイと光学センサーを取り付けているため、このアンテナは 1 年近く送信できない。NASA は、探査機を 10 か月間単独で浮かべることで、戦略的な犠牲を払っている。つまり、旧型の探査機が沈黙した後もずっと後、新世代の探査機が地球に通信できるようにするため、ボイジャー II 号とその無線専用アンテナへのコマンド送信を停止するのだ。

NASA は数十年にわたって、レーザー光のパルスを使ってネットワークを増強する実験を行ってきました。レーザー光は、飛躍的に大量のデータをより速く、より小さな耳に届けることができます。これにはいくつかの理由があります。まず、宇宙は混雑し始めており、それらの信号が無線通信を乱雑にし、深宇宙ネットワークのスケジュール設定が複雑で時間のかかる作業になっています。次に、火星などの場所の調査を続けると、はるかに多くのビデオをはるかに短い時間で送信する必要があります。2022 年に打ち上げられる NASA の小惑星調査探査機 Psyche は、光通信装置を搭載する最初の探査機の 1 つになります。

しかし、光には限界がある。例えば、雲は光を曲げたり遮ったりするが、電波はほとんどの大気の状態を通り抜けることができる。また、このシステムは比較的安価だ。「宇宙では質量には常に大きな代償が伴う」と、電波科学者のウドリリ氏は言う。同氏の研究に頼っている技術は、エコー気球からアポロ、そして今日に至るまで、人類の初期の宇宙探査の頃から存在してきた既存の機器を基盤としている。

電波による深宇宙通信は、単純明快で確実に機能するため、なくなることはないだろう。「複雑な問題に対して、非常に複雑な解決策を考える人は多い」とウドリリ氏は言う。「しかし、解決策は往々にして最も単純なものの中に見つかる。信号の変化に注意を払うことで私たちが学んだことを見ればわかる」

実に多くのことが分かってきました。月の密度、土星の環の年齢、太陽系の境界などです。信号とそのノイズは、私たちが宇宙の中でどのような位置にあるか、つまり地球という孤独な青い岩の周りの道路や天気を理解するのに役立ちます。

このストーリーはもともと『Popular Science』誌の「Noise」号に掲載されました。