マイクロヘルツからギガヘルツへの換算

マイクロヘルツ（µHz）について

マイクロヘルツは、1 ヘルツ の 100 万分の 1 にあたる振動数の単位です。記号は µHz です。1 マイクロヘルツ は 100 万秒に 1 回、すなわち 11 日半あまりに 1 回の繰り返しにあたるので、この単位は、数週間、数か月、数年という尺度で繰り返す現象を測ります。

もっともよく使われるのは星震学です。恒星は振動しており、その振動数は、鐘の音の高さが形と厚みで決まるのと同じように、内部の構造によって決まります。太陽に似た恒星は数千 マイクロヘルツ で鳴り、赤色巨星は数十 マイクロヘルツ、もっとも大きく進化した星は 1 を下回ります。ケプラー や TESS といった宇宙望遠鏡は、明るさが 100 万分の数だけ変わるようすを見張ることで、何十万もの恒星についてこれらの振動数を測りました。

この手法は、ほかのどんな方法でも得られない量をもたらします。振動の スペクトル から、天文学者は恒星の質量と半径と年齢を導き出せます。恒星の年齢は、それ以外の方法ではほとんど決められません。惑星をもつ恒星の、したがってその惑星系の年齢が、今日こうして定められています。

重力波の天文学もこの帯域を求めています。計画中の宇宙重力波望遠鏡 LISA は、およそ 100 マイクロヘルツ から 1 ヘルツ のあいだで感度をもつ予定です。この範囲には、合体する超大質量ブラックホールと、私たちの銀河にある何千という近接した白色矮星の連星が含まれます。地上の検出器はこの周波数に届きません。地面の雑音に呑まれてしまうからです。

地球物理学は、もっとも遅い分潮にこの単位を用います。半月周期と 1 か月周期の太陰潮、半年周期と 1 年周期の太陽潮がそれで、あわせて長周期の変動を生み、潮汐の予報はこれを織り込まねばなりません。地球の自転軸のふらつきである極運動は 14 か月の周期をもち、これはおよそ 0.8 マイクロヘルツ にあたります。

気候と海洋の科学は、さらに低いところまで届きます。エルニーニョ・南方振動は 2 年から 7 年ごとに不規則に戻ってきますが、これは 0.01 マイクロヘルツ をはるかに下回ります。長い氷床コアの記録は、さらに遅い周期を解き明かします。

地球 そのもの が 教科書 の ような 例 を与えます。その 自転 の 軸 は およそ 433 日 の 周期 で 小さな 円 を さまよいます。1891 年 に見つかった チャンドラー の 揺れ であり、周波 数 で およそ 0.027 マイクロヘルツ です。これ を捉えるには 何 十 年 も の 位置 天文 の 仕事 が要りました。これ ほど 遅い 信号 は、多く の 周期 を観測して はじめて ゆっくり した ずれ と 分けられる からです。それ が この 帯 の 一般 の 制約 です。1 マイクロヘルツ での 測定 には、少なくとも 数百万 秒、できれば 数千万 秒 の 記録 が要り、装置 は その 資料 が読めるように なる まで 何 年 も 安定 していなければ なりません。ですから この単位は、速い 学問 ではなく 辛抱 強い 学問 の もの です。

1 マイクロヘルツ は、0.000001 ヘルツ、100 万秒に 1 サイクル、1000 ナノヘルツ に等しくなります。

ギガヘルツ（GHz）について

ギガヘルツは、10 億 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は GHz です。現代の無線通信と、いま使われているあらゆる計算機の内部クロックが置かれている領域であり、そこにあるもののほとんどは 1990 年代より前には日常のものではありませんでした。

無線 LAN はおもに 2.4 と 5 ギガヘルツ の二つの帯域を占め、6 の近くにより新しい帯域があります。2.4 ギガヘルツ 帯が混み合っているのは、ほとんどの国で免許なしに使え、Bluetooth や コードレス電話、電子レンジと共用しているからです。電子レンジが 2.45 ギガヘルツ で動くのは、その周波数で水の分子がよくエネルギーを吸収するためです。5 ギガヘルツ 帯はより多くのチャンネルと高い速度をもたらしますが、壁による吸収が強く、覆える範囲は狭くなります。

携帯電話はこの領域全体にまたがっています。以前の世代は、建物の奥や田園地帯まで届く到達距離を求めて 1 ギガヘルツ 未満の帯域を使いました。より新しい 1.8、2.6、3.5 ギガヘルツ の割り当ては、より短い距離により多くのデータを運びます。周波数が高いほど使える帯域幅は広がり、透過性は落ちます。網の世代ごとの設計は、つねにこの二つの事実のあいだの折り合いです。

計算機のクロック周波数は 2000 年ごろに ギガヘルツ の領域へ入り、その数年後に 4 の近くで止まりました。限界は熱にあります。消費電力は周波数とともに急に増え、およそ 4 ギガヘルツ を超えると通常の シリコン の処理装置は熱を捨てきれません。以後の性能の向上は、クロックを上げることではなく、コアを増やし、命令の発行を広げ、記憶階層を改善することから得られています。

衛星回線、レーダー、電波天文学もすべてここで働きます。気象レーダーはふつう 2.7 から 5.6 ギガヘルツ、航空管制のレーダーも似た帯域を使い、宇宙を満たす マイクロ波 背景放射は 160 ギガヘルツ 付近に山をもちます。地上の通信の範囲をはるかに上回る高さです。

24 ギガヘルツ 以上のミリ波の装置は、自動車の衝突回避レーダーや、携帯電話網でもっとも容量の大きい帯域に使われます。波長がきわめて短いので小さな空中線と巨大な伝送速度を実現できますが、雨や木の葉を含め、ほとんど何にでも遮られてしまいます。

1 ギガヘルツ は、10 億 ヘルツ、1000 メガヘルツ、0.001 テラヘルツ に等しくなります。