NASA 初の月面電波望遠鏡による成果: オデュッセウス着陸機搭載の ROLSES-1 で観測された地球のテクノシグネチャーと低周波銀河背景放射

去年、月面着陸に成功したけど横倒しになったオデュッセウス着陸機　搭載された短波受信機の解析で地球の短波放送他　知的生命体の活動検出と銀河背景放射観測に使用できそうな事が確認できた。月面電波望遠鏡に一歩前進。以下、機械翻訳。
NASA 初の月面電波望遠鏡による成果: オデュッセウス着陸機搭載の ROLSES-1 で観測された地球のテクノシグネチャーと低周波銀河背景
2025年3月12日
抽象的な
インテュイティブ・マシーンズ社のオデュッセウス月着陸船に搭載された光電子シース装置 (ROLSES-1) による月面の電波観測は、NASA の月面初の電波望遠鏡であり、50 年ぶりに月面に着陸した米国の宇宙船である。多くの課題があったにもかかわらず、ROLSES-1 は、理想的ではない配置の 4 つのモノポール ステーサー アンテナを使用して、巡航期間中の 1 日のうちの数分と月面での 2 日間に少量のデータを集めることに成功した。すべてのアンテナは、地球の電離層を突き抜ける短波無線送信、つまり地球のテクノシグネチャーをスペクトル データと生の波形データから記録した。これらのテクノシグネチャーは、地球の電離層の密度変動によって変調されているようで、居住可能な太陽系外惑星から地球外知的生命体を探索する際のマーカーとして使用できる可能性がある。データの削減と多数の統計的およびサンプリング手法の統合の後、最もノイズの少ないアンテナからの 5 分間の生の波形を使用して、アンテナ パラメータと低周波等方性銀河スペクトルの振幅の両方を制限する共分散を生成しました。ROLSES-2 と LuSEE-Night は、どちらも 10 年以内に打ち上げられる月面電波望遠鏡で、ROLSES-1 から大幅にアップグレードされ、低周波の空、月面の表面について前例のない測定を行い、宇宙論的 21 cm 信号を制限するように設定されます。ROLSES-1 は月面電波望遠鏡の先駆者であり、この研究で紹介された統計ツールとデータ削減手法の多くは、今後の月面電波望遠鏡ミッションにとって非常に貴重なものとなるでしょう。


1 導入
2024年 2月 15日、Intuitive Machines 1 (IM-1) 着陸船「オデュッセウス」がSpaceX の Falcon 9 ロケットで月へ向けて打ち上げられ、約 1 週間後の 2月22日に月の南極から 10 ∘以内のマラパート A クレーターの近くに着陸しました。オデュッセウスは、その名の通り、最終目的地までの航海中に多くの課題に直面し、それを克服しました。搭載された主なペイロードの 1 つは、NASA の月面初の電波望遠鏡で、光電子鞘の月面電波観測、またはROLSES-1と呼ばれていました ( Burns ら (2021) ; Gopalswamy et al. 2025準備中。このミッションはNASAの商業月面ペイロードサービス（CLPS、Burns et al.、2021)プログラムで月面に到達します。

オデュッセウスの総質量は1,900キログラムの重量で、NASAの科学ペイロード6個と商業ペイロード数個を積載した。また、月面への移動と着陸の両方で液体メタンと液体酸素（メタロックス）推進を使用した最初の宇宙船でもあった。計画された着陸前の月周回軌道上で、レーザー誘導システムがオフラインであることが判明し、その後ナビゲーションにカメラシステムを使用して、オデュッセウスは水平速度3m/s、垂直速度1m/sで着陸した。月面に接触すると、宇宙船は角度1.5度で転倒した。
≈30°（図1の左パネルを参照）であり、利用可能な宇宙船の電力とダウンリンク/アップリンク時間の可用性が大幅に制限されていました。


図1:左のパネルは、地球に送信されたオデュッセウスの最終画像で、月面に対する探査機の傾きがはっきりと見て取れる（画像提供：Intuitive Machines）。右のパネルは、月面上のオデュッセウス着陸船の3次元投影（任意単位）で、北と西は月の地形を基準にしている。ROLSES-1アンテナにはAからDのラベルが付けられており、赤いラベルの付いた青い線で示されている。オデュッセウスは、おそらく北西のパネルを下にして横たわり、その下にあるアンテナDを押しつぶしている。月面は北に12度の角度で傾斜している。月面上のオデュッセウスの正確な高さは不明で、姿勢角（ヨー、ピッチ、ロール）にはすべて5度の誤差がある。
このような状況にもかかわらず、オデュッセウスは月面で数日間電力を維持し、搭載されているすべての科学機器に低利得通信アンテナを介してデータを送信し、2月29日に電力が失われてシャットダウンしました。オデュッセウスは生き残っただけでなく、耐え抜いたのです。ROLSES-1は、月面観測所を建設するために何百人もの科学者とエンジニアが取り組んだ数十年にわたる努力、研究、技術開発を代表する月面の先駆的な機器です（Burns、1990a、b; バサート＆バーンズ、1990; ジョンソンら、1990; バーンズら、1992; ジョンソンら、1992a、b; バーンズら、1994; デュリック＆バーンズ、1994; ジョンソンら、1995; ラツィオら、2009; バーンズら、2012; バーンズ、2021; カラパクラら、2024)。

NASA が資金提供した最初の月面電波望遠鏡は、5 kHz から 30 MHz の低周波電波空と局所的な月のプラズマ波環境を研究するために設計された 4 つのモノポール アンテナで構成されていました。ROLSES-1 の科学的目標には、(1) 表面近くのシース領域でのプラズマ波活動の測定、(2) 特に現在活動的な太陽活動極大期に向かっている月面観測所からの太陽および惑星の電波の観測、(3) 地球の自然オーロラと人工の電波放射の検出、これにより地球が「ノイズの多い」電波源であると評価、(4) アンテナとの粒子接触を介して惑星間および「ゆっくり移動する」月の塵を感知、(5) 銀河背景放射の検出の証拠の探索、(6) 着陸船をノイズ源とする局所的な発生源からの無線周波数干渉 (RFI) の評価が含まれていました。この研究では、特に（3）地上の人工電波ノイズと（5）弱い銀河背景信号の探索に焦点を当て、（6）局所的な発生源からのRFIノイズを評価します。

ROLSES-1の主なデータ収集モードは、デジタル信号プロセッサ（DSP）を介して生の波形をスペクトルに変換することでした。DSPデータは、低と高で示される2つの帯域のスペクトルで構成され、
0.06−1.8 MHzから0.06−30 それぞれ MHz で、各バンドに 512 の等間隔のチャネルがあります。DSP モードは、月面のプラズマ波、太陽バーストからの電波、木星バーストと放射、地球からの短波ブレークスルー送信 (テクノシグネチャー)、および銀河 (後者は主に銀河磁場内で螺旋を巻く相対論的電子によって生成されるシンクロトロン放射、自由自由放射、および星間物質内の冷たい電子による自由自由吸収で構成されています ( Zheng ら、2017; コングら、2021DSPデータは巡航中に83分間、月面で36分間収集されました。

スペクトルDSPモードの他に、波形データはシステムのアナログ-デジタルコンバータから直接取得できます。波形の収集は、
fs=120 測定のデジタル化は 1 秒あたり 100 M サンプルで行われます。これらの収集は 4096 サンプルの短いバーストで行われます。ただし、このモードは原理的に数十分間実行できるため、多数の 4096 サンプル セットを収集して統合し、解像度を向上させることができます。これらの波形は、地上システムを使用してスペクトル分析し、ROLSES-1 で生成されたスペクトルと比較することもできます。月面の 2 日目には、アンテナごとに 27 ～ 28 の波形が収集され、波形ごとに 4096 サンプルが収集されました。巡航フェーズ中または月面の 1 日目には波形データは収集されませんでした。

残念ながら、STEREO/WAVES宇宙船とフランスのNenuFarによる同時観測によると、3日間にわたるROLSES-1の観測中に取得されたデータには、太陽や木星からのバーストは対応していませんでした。したがって、これらの宇宙船間の較正やソース比較は不可能であり、ROLSES-1データの削減、クリーンアップ、較正には、実験室での測定とアンテナおよび電子機器の公称要件に依存しています。幸いなことに、ROLSES-1の巡航フェーズ中に北米のオーウェンズバレー天文台の長波長アレイによって少量のデータが取得されており、このデータとROLSES-1によって取得されたデータの比較を付録Bに示します。巡航フェーズ中の比較可能なデータの別のソースは、北米のRadio Jove実験によって取得されました（Gopalswamy et al. 2025の準備段階を参照）。

ROLSES-1 は、NASA にとって月面に電波望遠鏡を設置する先駆的な取り組みであり、CLPS プログラムを通じて、今後数年以内に他のいくつかの電波望遠鏡が月面に着陸する予定です。これらの望遠鏡には、前任機のアップグレード版となる ROLSES-2 と、完全なストークス パラメータ、オンボード校正ソース、およびより強力な内部電磁干渉 (EMI) シールド、および月面電磁気実験 (LuSEE-Night) (Bale ら、2023後者の実験は月の裏側に着陸し、2年間運用される予定で、主な科学的目標は宇宙の暗黒時代の宇宙論的21cmラインに最初の限界を設けることである（Pritchard＆Loeb、2012これら 2 つの電波望遠鏡は、ROLSES-1 と同様の課題に直面することになるため、この作業の大部分は、今後登場する月面電波望遠鏡のデータの削減、較正、分析に役立つツールと統計手法の開発になります。

合計で約 2 時間分のデータが ROLSES-1 によって取得され、4 つのアンテナすべてからスペクトル DSP と生の波形データの両方が地球にテレメータ送信されました。セクション2では、これらのデータとそのクリーニングおよび較正について説明し、セクション3では、生の波形データを使用して銀河スペクトル振幅と ROLSES-1 アンテナ パラメータを適合させる方法論を説明します。次に、セクション4では、地球と銀河背景からの短波送信の検出を含む ROLSES-1 データ解析の主な結果について説明し、最後にセクション5で結論を述べます。


表1:各観測のアンテナの位置とステータス。Panelはアンテナがどの Odysseus パネル上にあるかを示し、Gainはプリアンプ ドーター カードのゲイン設定を示します。Status のStは格納されたアンテナ、Deは展開されたアンテナ、Crは着陸によって押しつぶされた可能性のあるアンテナを示します。Remaining Channels は、高帯域と低帯域 (それぞれ HB、LB) の両方に対する 6 段階のクリーニング プロセスの後、512 (ヒストグラム) の周波数チャネルのうちデータが残っているチャネルの数を示します。

中略

5　結論
数々の障害を乗り越え、インテュイティブ・マシーンズの月着陸船オデュッセウスは、月の南極のマラパートAクレーター近くに着陸した。着陸船にはNASA初の月面電波望遠鏡「月面光電子鞘電波観測1号（ROLSES-1）」が搭載されており、4つのステーサーモノポールアンテナで構成され、
0.06−30 MHzと0.06−1.8 MHz、
ROLSES-1 は、それぞれ MHz、高帯域、低帯域で動作しました。データは、月に向かう途中の ROLSES-1 の 1 つの不良アンテナから高帯域で収集され、着陸後に残りの 3 つのアンテナが展開されて同様にデータが収集されました。ROLSES-1 は合計で 3 日間、1 日は移動中、2 日は月面で観測を行い、4 つのアンテナから合計約 2 時間分のデータを観測しました。データのほとんどは、スペクトルの形でデジタル信号プロセッサ (DSP) から取得されましたが、5 分間の生の波形も地球にテレメータ送信され、処理および分析のための 2 つの異なるデータ モードが提供されました。残念ながら、処理後に残ったのは高帯域データだけでした。


DSPデータは、着陸機とROLSES-1電源からの電子ノイズによって汚染されたチャネルを特定するために、地上テストデータと打ち上げ後の格納アンテナのデータの両方を参照して、既知のすべてのノイズ源からクリーンアップされました。DSP自体に固有のノイズ源も検査され、除去され、最終的にデータは実験室テストデータを使用して較正され、パワースペクトル密度に変換され、およそ〜100輸送中の日と月面での 2 日目には、5 分間のデータが収集されました。観測 2 日目に月面でキャプチャされた 5 分間の生の波形は、アンテナと搭載電子機器の公称ゲイン要件を使用して電圧に変換され、その後、標準信号処理を使用してスペクトルに変換されました。これらのクリーニング手順と較正手法を適用した後、月面で両方のモードのデータを収集したすべてのアンテナについて、DSP から生成された PSD レベルと生の波形から計算された PSD レベルがよく一致していることがわかりました。

徹底的な洗浄処理後に残ったチャネルには、特に明るいPSDラインが含まれています。
14−24MHz 範囲の短波送信は、ROLSES-1 から見た地球の電離層を突き抜ける短波送信、または地上のテクノシグネチャーであると推測されます。このような短波送信は、ROLSES-1 観測の時間スケールでは準均一なソースであるため、その振幅の変調はすべて、地球上の送信機を通過する電子密度の増加という形で電離層によるものと考えられます。これにより、数分単位の周期を持つシンチレーション効果と、周波数が増加するにつれて電力変調が減少する対応する周期グラムが発生します。同様の周波数帯で観測する他の宇宙船を使用した実験(Kaiser ら、1996）短波放送でも
5−10 振幅の dB レベルの変動も、やはり電離層の影響によるものです。ROLSES-1 の PSD ラインは、DSP モードと波形モードの両方のデータでこれら 3 つの影響すべてを示しています。最後に、オウエンスバレーの Long Wavelength Array とメキシコの Radio Jove 実験でほぼ同時に取得されたデータは、観測帯域全体で同様の短波伝送特性を示しています。したがって、ROLSES-1 は、地球の電離層を突破して月に逃げる人為的な電波または短波を測定した可能性が高いと考えられます。このようなデータは、地球のような技術を備えた遠方の太陽系外惑星から現れる可能性のあるテクノシグネチャーをモデル化することを目的とした研究にとっても興味深いものとなる可能性があります(Sagan ら、1993; ジョンソンら、2023)。

最後に、シグマクリッピングと平均化を徹底的に行った後、最もノイズの少ないROLSES-1モノポールアンテナ（アンテナC）からの5分間の生の波形データを使用して、低周波等方性銀河背景スペクトルを校正ソースとして使用し、アンテナゲイン係数と有効長を含む複合アンテナパラメータの一次校正を実行しました。ノイズパラメータとNovaco＆Brown（1978)、そして 21 cm 宇宙論の技術を利用してモデルの周波数範囲を決定し、ベイズ分析とネストされたサンプリングアルゴリズムPolyChordを使用してモデルのパラメータ空間を探索しました。結果として得られた共分散は、アンテナパラメータの組み合わせと等方性銀河スペクトルの振幅の両方を、前者の理論的期待値と後者のNovaco & Brown (のよく知られた銀河スペクトルから得られた信頼値を考慮して、合理的な範囲内に制限しました。1978)。その後、ノイズパラメータのみを含むネストサンプリングアルゴリズムを実行したところ、ベイズ推定とノイズ正規化残差のKS p値の両方から、等方性銀河スペクトルを含む前述のフィッティングよりもわずかに不利な結果が得られました。

後継ミッションである ROLSES-2 は、約 2 年後に打ち上げられ、低周波電波空、月の環境、地球からのオーロラキロメートル放射、太陽バースト、そしておそらく木星からの放射について、前例のない測定を行う予定です。機内較正源、方向探知機能、および 4 つのストークス パラメータすべてを備えた ROLSES-2 は、おそらく ROLSES-1 の肩の上に堂々と立つことができるでしょう。LuSEE-Night と呼ばれる別の月面電波望遠鏡は、2026 年初頭に打ち上げられる予定で、宇宙の暗黒時代の 21 cm 信号に最初の制約を課す準備ができています。これらの実験は両方とも、ROLSES-1 と同様の較正およびデータ削減の問題に直面するため、この作業の多くは、月面電波望遠鏡のデータを分析するためのツールと手法の開発に費やされています。