裏庭からダークマターの痕跡を検出する

DIYMagazineHands On2026年8月裏庭からダークマターの痕跡を検出するこの目に見えない宇宙の謎をDIY無線望遠鏡で探るデビッド・シュナイダー2026年7月30日5分読了DIYホーンアンテナと安価な無線機器で、天の川銀河を横切る水素雲の動きを測定できます。ジェームズ・プロヴォストダークマターとは何かと疑問に思っているなら、あなたは一人ではありません。天文学者も知りません。しかし、彼らは、この目に見えない物質が、彼らが見ることができる星や星雲よりもはるかに豊富に存在しなければならないと判断しました。彼らは、この不可解な暗い物質の重力効果を観察することからそれを推測し、その性質を理解するための数十年がかりのキャンペーンを開始しました。私は最近、昨年このページで取り上げたディスカバリー・ディッシュのような小型の無線望遠鏡を使用してダークマターの存在を感知できることを知りました。秘訣は、どのような観測を収集し、どのように分析するかを知ることです。以下にそれを概説しますが、まず、このプロジェクトのために私が組み立てた自家製無線望遠鏡について説明します。それはピラミッド型のホーンアンテナであり、1951年に宇宙の電波雲から1,420.4メガヘルツの無線放射を検出するために最初に使用されたホーンアンテナに似ています。これらの放射は、ダークマターの存在を確認する鍵となります。なぜなら、そのような雲は銀河全体で見つけることができ、その動きは天の川銀河のさまざまな部分で何が起こっているかを反映しているからです。私はオンライン計算機を使用してアンテナの設計を助け、米国ドル25の10フィート×2フィートの屋根用板金ロールと空の1ガロンのペイントシンナー缶を使用して達成できる寸法を採用しました。（次回は、空のFスタイルの缶を購入するだけです。）ホーンアンテナは、テープ、空のペンキ缶、および金属屋根用板金のロールで作られています[一番下の列]。信号は低ノイズアンプ[中央上部]で受信され、ソフトウェア定義無線受信機[左上部]に渡されます。ジェームズ・プロヴォストアンテナ自体の construction は、2019年にこのページで説明した、わずかに小さいホーンアンテナの construction と似ていました。しかし、私は新しいアンテナを大きくしました。なぜなら、より良い角度分解能が必要で、空のより小さな領域をスキャンできるようにしたかったからです。星間水素からの放射を拾うために、私はNooelecの45ドルのSAWBird+ H1を使用しました。これは、2つの低ノイズアンプと1,420 MHzを中心に据えた音響波フィルターを組み合わせたデバイスで、RTL-SDR V4ドングルと組み合わされています。したがって、水素雲からの信号を測定するために必要なハードウェアを組み立てるのはそれほど難しくありません。しかし、それらの信号からダークマターの署名をどのように引き出すのでしょうか？答えは、これらの測定値を使用して、天の川銀河の中心からのさまざまな距離にある雲が軌道上でどのくらいの速度で移動しているかを測定することです。銀河中心の周りを物質が軌道を描く速度が距離とともに低下しないことを示せばよいのです。これらの雲が、太陽の周りを惑星が軌道を描くのと同じように、または地球の周りを衛星が軌道を描くのと同じように、銀河中心の周りを周回していると考えるかもしれません。例えば、水星は太陽の周りを秒速47.4キロメートルで疾走しますが、海王星はゆったりとした秒速5.4キロメートルで移動します。天の川銀河には、超大質量ブラックホールを取り囲む星の中心部があります。したがって、一見すると、銀河の質量は中心部に集中しているように見えます。もしそうであれば、星や他の物質の雲は、中心からの距離が増えるにつれてより遅く周回するはずです。しかし、銀河全体に膨大な量の目に見えない物質が存在する場合、軌道速度がこのように低下するとは予想されないでしょう。星間雲の速度をどのように測定するか？したがって、ダークマターを検出するには、銀河中心の周りを物質が軌道を描く速度が距離とともに低下しないことを示すだけでよいのです。そして、無線観測はそれを実行する最も簡単な方法です。なぜなら、水素雲からの信号がドップラー効果によってどれだけシフトするかを測定することで、速度を推定できるからです。無線望遠鏡を空のさまざまな部分に向け、銀河中心からのさまざまな距離にある雲からの放射を拾います。これらの放射の1,420 MHzからの周波数オフセットは、地球に対するそれらの雲の接近または後退速度を反映します。銀河の平面、つまり銀河緯度0度から90度の範囲での測定が必要です（銀河緯度0度は銀河中心を直接指し、180度はその反対を指します）。高校の三角法を適用すると、これらの数値を銀河中心の周りの軌道速度に変換できます。これは接線点法として知られる技術です。雲のグループでは、地球から見た速度が最も速いものが、銀河の軌道に沿った接点に最も近いものになります。これにより、三角法を使用して銀河中心からの距離を決定できます[上部]。下のグラフは、銀河中心の周りの速度に関する天文学界の測定値[黒色]を示しており、著者の結果は塗りつぶしおよび空の赤丸でプロットされています。ジェームズ・プロヴォスト私のホーンアンテナをインマルサット静止衛星に向けた実験により、私の小さな無線望遠鏡の角度分解能は約20度であることが明らかになりました。そこで、プラネタリウムプログラムStellariumの助けを借りて、銀河平面の銀河緯度約15度、30度、45度、60度、75度、90度に向けてアンテナを向けました。各測定セットが可能な限り独立するように、間隔を空けました。私はSDR#ソフトウェアとIF Averageというプラグインを使用して、アンテナから来る生の測定値を読み取りました。このプラグインは数分間に受信したデータをスタックし、弱い信号が現れてクリーンな無線スペクトルを生成できるようにします。これにより、1,420 MHzの線が表示されます。実際には、これは複数の雲からのドップラーシフトされた放射による、さまざまな距離にある複数の雲からの信号のバンプ、あるいはバンプのセットのように見えます。幸いなことに、あなたは最も速く後退している雲、つまり天文学者の言葉で最大の赤方偏移を持つ雲だけを気にする必要があります。私はMicrosoft Excelを使用して、収集した無線スペクトルの形状を分析し、それらを異なる距離にあるさまざまな雲からの個々のベル型の寄与の合計としてモデル化しました。これにより、調査した各銀河緯度での最大の赤方偏移を推定できました。次に、再びExcelを使用して、それらの6つの赤方偏移値を銀河中心からの軌道速度と距離の6つのペアに変換する数式を適用しました。私の結果のプロットは、Publications of the Astronomical Society of Japan に掲載された最近の論文「The Inner Rotation Curve of the Milky Way」と比較的よく一致しました。最も内側の2つの点は、異常に低い軌道速度を示しました。Excelでのカーブフィッティングのもう一度の試みにより、これらの結果は期待値に近づきましたが、それでもいくらかずれていました。いずれにせよ、私が推定した軌道速度は銀河中心からの距離とともに低下しませんでした。むしろその逆でした。何かが銀河系の回転方法にその印を付けているのです。そして、その基本的な観測により、屋根用板金とペイントシンナー缶の助けを借りて、裏庭からダークマターを検出できたと言えます。あなたのサイトの記事からダークマター検出器をエンジニアリングする›AIが物理学の次の大きなものを探す›ダークマターデータはパラシュートで保存›ウェブ上の関連記事ダークマター - NASAサイエンス›タイプ：部門天文学無線天文学無線望遠鏡ダークマターデビッド・シュナイダーデビッド・シュナイダーはIEEE Spectrumの元編集者であり、Hands Onの記事を寄稿し続けています。彼はエール大学で地質学の学士号、カリフォルニア大学バークレー校で工学の修士号、コロンビア大学で地質学の博士号を取得しています。コンピューティングニュースIBMが新しい検証技術で量子優位性を主張 2分5分読了ロボティクスAIスポンサー記事汎用ロボットのための基盤スタックの構築 13