原子時計の技を太陽に向ける

ほかの恒星のまわりに地球の双子を見つけるために、天文学者は恒星のふらつきを観察する。太陽に似た恒星のまわりを、地球と同じ距離で公転する地球質量の惑星は、1年以上かけて、恒星をわずか秒速8.9センチメートル動かすだけだ。そのごく小さな動きによって、恒星のスペクトル線は100億分の数だけずれる。

惑星探しの最高の装置は、星の光を大きな回折格子に広げ、数百本から数千本の線のずれを一度に平均することで、そこに迫っている。レーザー周波数コムで較正していても、それらの装置が測っているのは、光が検出器のどこに当たるか、つまり波長であって、周波数ではない。

原子時計から借りる

最も精密な時計である光時計は、別のやり方で動いている。レーザーを原子の遷移にロックし、その周波数を数えるのだ。使うのは光周波数コムで、これは光が等間隔に並んだ周波数のものさしをつくるレーザーである。ただし落とし穴がある。光時計には実験室のきれいなレーザー光が必要で、恒星のでたらめな熱放射の輝きでは使えない。

コロラド大学ボルダー校と米国国立標準技術研究所（NIST）のコナー・フレドリック（Connor Fredrick）、ライアン・K・コール（Ryan K. Cole）らは、プロジェクトを率いるスコット・ディダムズ（Scott Diddams）とともに、この時計のレシピを太陽光に応用した。彼らはその成果を太陽光時計（solar optical clock）と呼んでいる。

1本の線、1台のレーザー

屋上に置いた小さな太陽追尾装置が、太陽面全体からの光を1本のシングルモード光ファイバーに送り込む。太陽は、まるで遠くの恒星であるかのように観測される。
実験室では、太陽光が検出器の上でレーザーと混ぜ合わされる。レーザーの周波数を前後に小刻みに揺らすと、波長1,565.28ナノメートル付近にある、幅約4.3ギガヘルツの鉄の吸収線の中心でちょうどゼロになる信号が生まれる。この幅は装置の欠陥ではない。太陽のガスの熱による揺らぎと対流が線を広げてしまうので、そのぼやけた帯の中で中心を見つけなければならないのだ。
フィードバックループが、レーザーをそこにロックし続ける。その間、NISTが較正した水素メーザー——数時間にわたってきわめて安定した水素の原子時計で、ここでは時間の基準として使われる——に結びつけられた光周波数コムが、レーザーの周波数を絶えず数える。これは公式の「秒」の定義に直接つながっている。

周波数の10億分の1

1秒間で、レーザーは線の中心を約3メガヘルツ、つまり線の幅の1,400分の1の精度で見つける。速度に直すと秒速4.7メートルだ。ドップラー効果によって光の周波数は光源の速度に比例してずれ、この波長では秒速1メートルが約0.64メガヘルツにあたる。数千秒にわたって平均すると、これは約200キロヘルツ、つまり約秒速30センチメートルまで下がる。光の周波数の10億分の1だ。

この精度は、この種の測定で光子がランダムに到着することから予想される量子的な限界をぴったり追っている。測定された平均化時間の範囲では、装置の雑音が目に見える形で上乗せされることはない。チームが以前に使っていた、線をゆっくり掃引する装置と比べると、ロックしたレーザーは10倍近く精密だ。

(a) ロックしたレーザー（濃い青）と掃引型の装置（薄い青）による、5,000秒間にわたる線の中心の測定値。(b) 太陽の振動は5.5分付近のピークとして現れる。(c) 平均時間とともに精度が上がり、量子的な限界（破線）に近づく。— 図4、Fredrick, Cole et al. (2026), arXiv:2610.28485.

太陽は呼吸し、月が通り過ぎる

測定からは、太陽そのものの動きが明らかになる。5.5分のところにはっきりしたピークがあり、太陽表面の音響振動を示している。これは太陽内部を探る音波だ。しかしそれは厄介者でもある。平均する時間がその5分の周期を超えてはじめて、精度が急に上がるのだ。

2024年4月8日、チームはボルダーで部分日食を観測した。そこでは月が太陽の約80%を覆った。太陽は自転しているので、一方の縁はこちらに近づき、もう一方は遠ざかっている。月が一方の縁を隠し、次にもう一方を隠すにつれて、鉄の線は最大で秒速約500メートルずれた。これはロシター・マクローリン効果で、恒星の前を横切る惑星を調べるのに使われているのと同じしるしだ。

2つの装置がとらえた2024年4月8日の日食。(a) 月が太陽面を横切るにつれて、線はまず一方に、次に反対側にずれる。(b, c) ロックしたレーザー（濃い青）のばらつきは、掃引型の装置（薄い青）よりはるかに小さい。— 図5、Fredrick, Cole et al. (2026), arXiv:2610.28485.

太陽からほかの恒星へ

著者らの見積もりでは、補償光学を備えた口径25〜40メートルの望遠鏡、つまり建設中の巨大マゼラン望遠鏡（GMT）や欧州超大型望遠鏡（ELT）くらいの規模があれば、1本の線によるこの精度を、最も近い太陽に似た恒星に、数時間で適用できる。変調をより鋭くし、平均をより長くし、複数の線を同時に測定すれば、秒速10センチメートルに向けてさらに精度を押し上げられるだろう。

恒星には、恒星自身による限界がある。煮え立つような表面、つまり粒状斑が、1時間かけても秒速数十センチメートルのノイズを加えるのだ。線を1本ずつ測ること、それぞれが磁場や深さにそれぞれのやり方で敏感な線を測ることこそが、恒星の落ち着きのなさと、見えない惑星の引っ張りとを見分ける助けになるかもしれない。