テラヘルツからマイクロヘルツへの換算

テラヘルツ（THz）について

テラヘルツは、1 兆 ヘルツ にあたる振動数の単位です。記号は THz です。もっとも高い電波と、もっとも低い赤外線とのあいだの隙間を占めており、この領域は 20 世紀の大半を通じて、発生させることも検出することも難しかったため、テラヘルツギャップ と呼ばれてきました。

難しさは理論のものではなく実際上のものでした。電子式の発振器は数百 ギガヘルツ を超えると力尽きます。電荷を担う粒子が十分な速さで応じられないからです。一方、レーザーのような光の源は、赤外線より下では効率が落ちます。そのあいだの帯域には、どちらの側にも扱いやすい技術がなく、何十年ものあいだ、電磁波の帯のなかでもっとも調べられていない部分でした。

これを変えたのが、超高速のレーザーと光伝導アンテナです。数フェムト秒しか続かないレーザーのパルスを半導体に当てて、テラヘルツ のパルスを生み出します。いまでは テラヘルツ 時間領域分光法が、この帯域全体にわたる材料の応答を測っており、この手法は材料科学の標準的な道具になりました。

もっともよく知られた用途は保安検査です。テラヘルツ の放射は衣服、紙、樹脂、陶磁器を通り抜けますが、金属には遮られ、水には吸収されます。しかも光子 1 個あたりのエネルギーは、何かを電離させるにはあまりに小さいため、エックス線のような危険を伴わずに、隠された物を映し出せます。空港の身体検査装置はこの原理で働きます。

分子分光学がこの帯域を使うのは、多くの大きな分子がここに回転と振動の状態をもつからです。爆発物や薬物は テラヘルツ の特徴的な指紋を示し、この手法は製薬の品質管理で、ほかの方法では見分けのつかない結晶形を識別するのに使われます。美術品の保存は、画布に触れずに絵具の層の下を見るためにこれを用います。

天文学は、標高が高く乾いた場所か、あるいは軌道上からこの周波数を観測します。大気中の水蒸気が テラヘルツ の放射を強く吸収するからです。星が生まれる領域の冷たい塵と分子ガスはここで放射しており、チリの高地や南極点に観測所が築かれているのはそのためです。

通信 の 研究 は、この 帯 に 入り はじめました。資料 の 速さ は 使える 帯域 の 幅 とともに 増え、100 ギガヘルツ の 上 には その 下 より はるか に 広い 場所 が あります。ですから 実験 室 は、1 テラヘルツ に近い 周波 数 で 毎秒 数百 ギガビット を運ぶ 無線 の 経路 を示してきました。妨げ は、水 の 蒸気 が この 波 を 強く 吸う こと です。晴れた 空気 でも 数百 メートル、雨 なら はるか に 短い 距離 に 経路 が 限られます。それ が この 技術 を 短い 跳躍 に とどめます。屋上 の 空中 線 どうし の つなぎ、資料 の 中心 の 内側 の 経路、あるいは 街灯 から 建物 まで の 最後 の 一 区間 であって、放送 に似た もの ではありません。

1 テラヘルツ は、1 兆 ヘルツ、1000 ギガヘルツ、およそ 0.3 ミリメートル の波長に等しくなります。

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。