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トモエゴゼン トモエゴゼン

84の瞳で宇宙の動きを見つめる「トモエゴゼン」

45年前につくられた望遠鏡を最先端観測システムへとよみがえらせたキヤノンのCMOSセンサー

2020/3/12技術紹介

#イメージング技術#社会貢献#宇宙#AI#機械工学#電気工学#情報工学#物理学

世界初、動画撮影とAIによる解析を組み合わせた天体観測システム

これまで静止画で撮影することが常識だった天体観測。そんな常識を打ち破る動画での撮影を実現したのが東京大学の木曽観測所です。その実現は、動画撮影の要となる高感度CMOSセンサーをキヤノンが観測所に持ち込んだことから始まりました。

天体観測に新たな可能性を示したCMOSセンサー

東京大学木曽観測所の「トモエゴゼン」は、シュミット望遠鏡に搭載された新しい天体観測システムで、世界で初めて動画撮影と人工知能による解析を組み合わせています。このシステムは、木曽義仲に仕えたと言われる女武者「巴御前(トモエゴゼン)」にちなんで名付けられました。

1974年に製作された口径105cmシュミット望遠鏡は、9度という広い視野(焦点面で520mm)をもつ望遠鏡でしたが、1990年代になると天体撮影に用いるセンサーが写真乾板から小型で高感度なCCDに置き換わったことにより、望遠鏡の特長である広い視野を活かすことができず、研究の最前線に立つことが難しくなっていました。そんな望遠鏡にキヤノンが持ち込んだのは、試作した超高感度CMOSセンサー。このセンサーに興味をもった東京大学天文学教育研究センター准教授の酒向重行さんが、試しに望遠鏡に取りつけて撮影してみたところ、多くの微弱な流れ星の動画撮影に成功し、トモエゴゼンの実現へと話が進んでいきました。

東京大学木曽観測所のシュミット望遠鏡

東京大学木曽観測所のシュミット望遠鏡

現在、天文台などの大型天体望遠鏡のなかに設置するカメラは、CCDセンサーによる撮影が一般的です。しかし、CCDセンサーは長時間の撮影では、室温といえども熱の影響を受け、ノイズが発生してしまいます。ノイズを抑え、安定した画像を得るためには真空冷却装置が必要になり、カメラはとても大型になっていました。

キヤノンが開発したCMOSセンサーは、高感度、高画質、かつ熱によるノイズが低いという特長を持っています。1画素は一辺19µm(マイクロメートル)で、一般的なデジタルカメラ用センサー(3000万画素クラス)の1画素と比べ、10倍以上の大きな面積になります。1画素面積を大きくしたことで、集光率を高め、天体が発する微弱な光もとらえることができます。また、画素が大型化すると増える傾向のあるノイズを低減する技術を開発し、超高感度と低ノイズの両立を実現しました。さらに、常温下でも特別な冷却装置を必要としないため、カメラの小型化にも成功。この超高感度CMOSセンサーを84個並べた「トモエゴゼン」は、約1億9,000万画素の超高解像度を実現しながら、20平方度という超広視野での動画撮影を可能にしています。

  • ※µm=マイクロメートル、100万分の1メートル
  • ※平方度とは、天文学において、空の広さを表すために用いられる単位。20平方度は、満月84個分の領域に相当。

超広視野での動画撮影を可能にしたキヤノンの超高感度CMOSセンサー 超広視野での動画撮影を可能にしたキヤノンの超高感度CMOSセンサー

超広視野での動画撮影を可能にしたキヤノンの超高感度CMOSセンサー

宇宙を動画でとらえる

「トモエゴゼン」における最も大きなブレイクスルーは、宇宙を広範囲に動画で記録できることにあります。それまで、この望遠鏡の撮影に使用されていたCCDセンサーは、データの読み出し速度が遅く、動画での観測はできませんでした。しかし、キヤノンの35mmフルサイズ超高感度CMOSセンサーは、読み出し速度が速く、最高2コマ/秒の記録が可能となり、「トモエゴゼン」は、0.5秒間隔で、しかも広視野で宇宙を動画で記録できる世界初の天体観測システムとなったのです。1秒以下の時間軸で発生する宇宙の現象を動画でとらえ続けられる観測所は、現時点では東大木曽観測所以外には世界に存在しません。

時間変動天体の探査能力比較

時間変動天体の探査能力比較

「トモエゴゼン」で撮影する動画は、1晩の観測で30テラバイト(120分映画約1万本分)にもおよびます。これはまさに宇宙動画のビッグデータで、このデータをAIを用いて分析することで、未探査の宇宙の解明を可能にしました。

「最後のフロンティア」の謎に挑戦

2019年10月、「トモエゴゼン」はいよいよ本格稼働を開始しました。「トモエゴゼン」は、広視野の撮影範囲をずらしながら空の全域を動画撮影します。年間約100夜、1晩中の撮影を行う計画です。そうすることで、重要な突発現象をとらえる確率は格段に高まります。すでに試験運用期間でも超新星の発見や地球接近小惑星の発見などの実績を上げ、今後も過去に例のない大規模な宇宙探査に期待が高まっています。

宇宙という「最後のフロンティア」の謎の解明に、キヤノンはこれからも貢献していきます。

  • ※大質量の恒星がその一生を終えるときに起こす大規模な爆発現象

東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター木曽観測所
http://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/kisohp/

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