NASAが記録破りの望遠鏡を宇宙へ打ち上げた――その仕組みとは

• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって、天文学者は宇宙で最初に形成された銀河を見つけられる可能性があります。

• 宇宙の深部を観測するため、この望遠鏡には非常に大きな鏡が備わっており、極低温に保つ必要があります。

• 天文学者のマーシャ・リーク氏によると、これはこれまでに建造された中で最も高性能な宇宙望遠鏡で、衛星放送用アンテナのような仕組みで動きます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は2021年12月25日に宇宙へ打ち上げられました。天文学者たちはこの望遠鏡で、宇宙で最初に形成された銀河を見つけ、ほかの惑星の地球に似た大気を探し、さらに多くの科学的目標を達成したいと考えています。

私は天文学者であり、近赤外線カメラの主任研究者、つまりNIRCamをウェッブ望遠鏡に搭載しています。私のカメラと望遠鏡全体の開発・試験に携わってきました。

宇宙の深部を観測するため、この望遠鏡には非常に大きな鏡が備わっており、極低温に保つ必要があります。しかし、このような壊れやすい機器を宇宙へ運ぶのは簡単ではありません。これまで同僚たちと私は、これまでに建造された中で最も高性能な宇宙望遠鏡の設計、試験、そして間もなく行われる打ち上げと光軸調整を実現するため、数多くの課題を乗り越えてきました。

最も遠く、最も古い銀河を検出するには、望遠鏡を巨大にし、極低温に保つ必要があります。Image: NASA/クリス・ガン

若い銀河と異星の大気

ウェッブ望遠鏡には直径20フィートを超える鏡があり、太陽放射を遮るテニスコートほどの大きさの日よけと、データを収集する4つの独立したカメラ・センサーシステムが備わっています。

衛星放送用アンテナのような仕組みです。星や銀河からの光が望遠鏡の開口部に入り、主鏡で反射して4つのセンサーに向かいます。NIRCamは近赤外線で画像を撮影します。近赤外線分光器は、選んだ天体からの光を構成色に分け、それぞれの強さを測定します。中赤外線装置は中赤外線域で画像を撮影し、波長を測定します。そして、近赤外線撮像スリットレス分光器は、科学者が望遠鏡を向けたあらゆる対象の光を分解し、測定します。

この設計により、科学者は天の川銀河で星がどのように形成されるかや、太陽系外の惑星の大気を研究できます。こうした大気の組成を解明できる可能性もあります。

エドウィン・ハッブルが遠方の銀河も天の川銀河と同じようなものであると証明して以来、天文学者たちは問い続けてきました。最古の銀河はどれほど古いのか。どのように形成されたのか。そして時とともにどう変化してきたのか。ウェッブ望遠鏡は当初、「ファーストライト・マシン」と名付けられました。まさにこうした問いに答えるために設計されたからです。

望遠鏡の主な目標の一つは、観測可能な宇宙の縁に近い遠方銀河を研究することです。こうした銀河からの光が宇宙を横断して地球に届くまでには、何十億年もかかります。同僚たちと私がNIRCamで収集する画像には、ビッグバンからわずか3億年後に形成された原始銀河が写る可能性があると見ています。その頃、それらの銀河は現在の年齢のわずか2％でした。

ビッグバン後に形成された最初の星々の集まりを見つけるのは、単純な理由から非常に困難です。こうした原始銀河はあまりにも遠くにあり、非常に暗く見えるのです。

ウェッブの鏡は18枚の独立したセグメントで構成され、ハッブル宇宙望遠鏡の鏡の6倍を超える光を集められます。また、遠方の天体は非常に小さく見えるため、望遠鏡は光をできる限り鋭く集束できなければなりません。

望遠鏡は、もう一つの難題にも対処しなければなりません。宇宙が膨張しているため、ウェッブ望遠鏡で科学者が研究する銀河は地球から遠ざかっており、ドップラー効果が関係します。救急車が通り過ぎて遠ざかるにつれ、サイレンの音程が下がり低くなるのと同じように、遠方銀河からの光の波長は可視光から赤外線へと移ります。

金色の鏡の下にある銀色の素材は5層構造で、太陽光と熱を反射するサンシールドです。センサーを極めて低温に保ちます。Image: NASA/クリス・ガン

ウェッブは赤外線を検出します。つまり、巨大な熱望遠鏡のようなものです。赤外線で暗い銀河を「見る」には、望遠鏡を極めて低温に保たなければなりません。そうしないと、自らの赤外線放射しか見えなくなります。そこで登場するのが熱シールドです。シールドはアルミニウムをコーティングした薄いプラスチック製です。5層構造で、寸法は46.5フィート（17.2メートル）×69.5フィート（21.2メートル）です。そして、鏡とセンサーを華氏マイナス390度（摂氏マイナス234度）に保ちます。

ウェッブ望遠鏡は驚くべき技術の結晶ですが、どうすればこのような装置を安全に宇宙へ運び、確実に動作させられるのでしょうか？

技術者と科学者は、極低温・低圧の極低温真空チャンバー内で望遠鏡全体を試験しました。Image: NASA/クリス・ガン

試験とリハーサル

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、地球から100万マイル離れた場所を周回します。これは国際宇宙ステーションの約4,500倍の距離で、宇宙飛行士による修理は到底できません。

過去12年間、チームは望遠鏡と観測機器を試験し、ロケット打ち上げを模擬して振動を加え、再び試験してきました。すべてを冷却し、軌道上の過酷な運用条件のもとで試験しました。チームがヒューストンで、アポロ月面車用に設計されたチャンバーを使ってNIRCamを試験したときのことは、決して忘れません。私のカメラが望遠鏡の鏡で反射した光を検出したのはそのときが初めてで、外ではハリケーン・ハービーに悩まされていたにもかかわらず、私たちはこの上なく喜びました。

宇宙望遠鏡科学研究所でのリハーサルと訓練は、組み立て工程が円滑に進み、予期しない異常にも対処できるようにするうえで欠かせません。Image: NASA/クリス・ガン

試験の後はリハーサルです。望遠鏡は無線通信で送るコマンドによって遠隔操作されます。しかし、望遠鏡はあまりにも遠くにあるため、信号が片道で届くのに6秒かかり、リアルタイム制御はできません。そこで過去3年間、チームと私は宇宙望遠鏡科学研究所があるボルティモアに通い、打ち上げから通常の科学運用まで、あらゆる手順を網羅するシミュレーターで模擬ミッションを実施してきました。試験の主催者が意図的に投げかける潜在的な問題への対処も練習しました。主催者たちはそれを「異常」とかわいらしく呼んでいます。

ロケットに収めるため、望遠鏡は小さく折りたたむ必要があります。Image: NASA/クリス・ガン

必要な光軸調整

ウェッブのチームは打ち上げ日までリハーサルと練習を続けましたが、私たちの作業はまだまだ終わりません。

打ち上げから35日間、部品が冷えるのを待ってから光軸調整を始めます。鏡が展開した後、NIRCamは鏡の各セグメントを高解像度で連続撮影します。望遠鏡チームは画像を分析し、10億分の1メートル単位でセグメントを調整するようモーターに指示します。モーターが鏡を所定の位置に動かしたら、望遠鏡の光軸が完璧に調整されたことを確認します。この作業はミッションにとって極めて重要なため、機体には同一仕様のNIRCamが2台搭載されています。1台が故障した場合は、もう1台が光軸調整を引き継げます。

この光軸調整と点検の工程には6カ月かかる見込みです。完了すると、ウェッブはデータ収集を開始します。20年にわたる取り組みを経て、天文学者たちはついに、宇宙の最も遠く、最果ての領域をのぞき込める望遠鏡を手にすることになります。