NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでに建造された中で最も強力な宇宙望遠鏡です。
何年にも及ぶ遅延と数十億ドルを伴う複雑なエンジニアリング工程を経て、2021年12月18日に軌道へ打ち上げられる予定です。
ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、最初期の恒星や銀河が放つかすかな赤外線を捉えるために建造されました。
この革新的な望遠鏡が収集するデータによって、宇宙の始まりに関する重要な疑問に答えられることが期待されています。
NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、「天文学を食べ尽くした望遠鏡」と呼ぶ人もいます。これはこれまでに建造された中で最も強力な宇宙望遠鏡であり、人類のエンジニアリングの限界を押し広げた、複雑な機械仕掛けの折り紙でもあります。2021年12月18日、何年にも及ぶ遅延と数十億ドルの超過費用を経て、この望遠鏡は軌道へ打ち上げられる予定で、天文学の新時代を切り開きます。
私は天文学者で、観測宇宙論を専門としています。遠方の銀河を30年間研究してきました。宇宙に関する最大の未解決問題のいくつかは、ビッグバン直後の初期の時代に関わるものです。最初の恒星や銀河はいつ形成されたのでしょうか。どちらが先で、その理由は何でしょうか。銀河がどのように誕生したかという物語を、天文学者がまもなく解き明かすかもしれないことに、私は大きな期待を寄せています。ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、まさにこれらの疑問に答えるために建造されたからです。
宇宙の「暗黒時代」
豊富な証拠から、宇宙はある出来事によって始まったことが分かっています。それはビッグバンと呼ばれ、138億年前に起こり、宇宙を超高温・超高密度の状態にしました。ビッグバンの直後、宇宙は膨張を始め、それに伴って冷えていきました。ビッグバンから1秒後、宇宙の直径は100兆マイルに達し、平均温度は驚異的な180億°F（100億°C）でした。ビッグバンから約40万年後、宇宙の直径は1,000万光年となり、温度は下がって5,500°F（3,000°C）になりました。この時点で誰かがそこにいて見ていたなら、宇宙は巨大なヒートランプのように、鈍い赤色に輝いていたでしょう。
この間、宇宙空間は高エネルギー粒子、放射線、水素、ヘリウムが混ざり合った滑らかなスープで満たされていました。構造はありませんでした。膨張する宇宙が大きく、冷たくなるにつれ、スープは希薄になり、あらゆるものが暗闇に消えていきました。これが天文学者の呼ぶ宇宙の暗黒時代の始まりでした。
暗黒時代のスープは完全に均一ではなく、重力の作用で、ガスのごく小さな領域が集まり、密度を増し始めました。滑らかだった宇宙にはむらが生じ、この小さな高密度ガスの塊が、やがて恒星や銀河、そして宇宙のあらゆるものが形成される種となりました。
目に見えるものが何もなかったとはいえ、暗黒時代は宇宙の進化における重要な段階でした。
最初の光を探して
重力によって最初の恒星や銀河が形成され、やがて最初の光を放ち始めたとき、暗黒時代は終わりました。最初の光がいつ放たれたのか、天文学者にも分かっていませんが、最も有力な推定では数億年後、つまりビッグバンの後に起きたとされています。恒星と銀河のどちらが先に形成されたのかも、天文学者には分かっていません。
現在の理論は、暗黒物質が支配する宇宙で重力がどのように構造を形成するかに基づいており、恒星や星団のような小さな天体がまず形成され、その後、矮小銀河、さらに天の川銀河のような大きな銀河へと成長した可能性を示しています。宇宙で最初に生まれた恒星は、現在の恒星に比べて極端な天体でした。明るさは100万倍でしたが、寿命は非常に短いものでした。高温で明るく燃え、死ぬとブラックホールを残しました。その質量は太陽の100倍にも達し、銀河形成の種として働いた可能性があります。
天文学者は、宇宙のこの魅力的で重要な時代をぜひ研究したいと考えていますが、最初の光を検出するのは非常に困難です。現在の巨大で明るい銀河と比べると、最初の天体は非常に小さく、宇宙が絶えず膨張しているため、今では地球から数百億光年も離れています。また、最初期の恒星は形成時に残ったガスに囲まれていました。このガスは霧のように働き、光の大半を吸収しました。霧を放射線が吹き飛ばすまでには数億年かかりました。この初期の光は、地球に届く頃には非常にかすかになっています。
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しかし、課題はこれだけではありません。
宇宙が膨張するにつれて、その中を進む光の波長は絶えず引き伸ばされます。これを赤方偏移と呼びます。青や白の光のような短い波長の光が、赤や赤外線のような長い波長へと移るためです。完全な比喩ではありませんが、車がそばを通り過ぎるとき、車が発する音の高さがはっきりと下がるのに似ています。
130億年前に初期の恒星や銀河が放った光が地球上の望遠鏡に届く頃には、宇宙の膨張によって波長が10倍に引き伸ばされています。その光は赤外線として届き、波長は赤い光よりも長くなっています。最初の光を見るには、赤外線を探さなければなりません。
タイムマシンとしての望遠鏡
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の登場です。
望遠鏡はタイムマシンのようなものです。天体が1万光年離れているなら、その光が地球に届くまでに1万年かかるということです。つまり、天文学者が宇宙のより遠くを見るほど、より過去を見ているのです。
エンジニアたちは、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡を最適化し、最初期の恒星や銀河が放つかすかな赤外線を特に検出できるようにしました。ハッブル宇宙望遠鏡と比べると、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡のカメラの視野は15倍広く、集める光の量は6倍で、センサーは赤外線に最も敏感になるよう調整されています。
観測戦略は、空の一角を長時間じっと見つめ、最も遠く古い銀河からできるだけ多くの光と情報を集めることです。このデータによって、暗黒時代がいつ、どのように終わったのかに答えられる可能性がありますが、ほかにも重要な発見が期待されます。たとえば、この物語を解き明かすことは、暗黒物質の性質を説明する助けにもなるかもしれません。暗黒物質は、宇宙の質量の約80%を占める謎めいた物質です。
ジェイムズ・ウェッブは、NASAがこれまで挑んだ中で技術的に最も難度の高いミッションです。しかし、この望遠鏡が答えを導く助けとなる科学的な疑問は、あらゆる努力に値すると私は思います。私を含む天文学者たちは、2022年のいずれかの時期にデータが届き始めるのを心待ちにしています。
