ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の次に来るものは何でしょうか? 生命を望む天文学者もいます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、これまで宇宙に送り込まれた中で最大かつ最も複雑な人工装置であり、昨年の打ち上げで天文学者を驚かせた。この望遠鏡は、漆黒の宇宙の奥深くをのぞき込み、遠くの物体を解像できる前例のない感度を備えている。しかし、より遠くまで見通せる次世代の望遠鏡は、必ずしもJWSTの重量を上回らなくても、その視野を超えることができるかもしれない。

「角度分解能をさらに向上させたいのであれば、より大きな望遠鏡を建造するか、干渉法に切り替える必要があります」とオハイオ州立大学の天文学者で太陽系外惑星探査者のスコット・ガウディ氏は言う。

ヌリング干渉法は、同じ対象を同時に複数回観測して得られた光を混合することで天体に関するデータを収集する観測技術です。ヌリングとは、この光を組み合わせて恒星などの対象からの圧倒的な背景を遮断し、恒星のまぶしさを浴びる周回惑星など、はるかに暗い対象から発せられる信号を強調する方法を指します。この技術は、太陽系外惑星の観測における最も厄介な課題の 1 つであるコントラストの問題を回避します。他の競合技術と比較して、ヌリング干渉法は、地球サイズの惑星が潜んでいることを明らかにするのに十分な、恒星の光を 100 億倍以上も暗くするのに最適な候補である可能性があります。そして、これらの岩石の天体は、地球外生命を宿す主な候補です。

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感度と解像度を高めるには、各集光器を数百メートル離して配置する必要があります。革新的なのは、複数の検出器を連結した扱いにくい装置を設置する代わりに、集光器間のデッドスペースにある橋渡しの支柱を取り外し、編隊飛行に頼るという方法です。自律編隊飛行の利点は計り知れません。これらの検出器は、さまざまなターゲットに狙いを定めるために外側または内側に移動し、回転し、中央の集光器の周りを回転して、受信した天文信号を変調できます。

「干渉法は、何度も何度も話題に上ります」とガウディ氏は言う。「これはまだまだ未来の話だと思います。」

宇宙ヌルリング干渉計は今後数十年で配備されることはないだろうが、スイスのチューリッヒ工科大学の天体物理学者サシャ・クアンツ氏が率いるある取り組みは、ヌルリング干渉計を構想段階から現実のものへと押し進めている。同氏が推進するミッションの目的は明らかで、LIFE（大型太陽系外惑星干渉計の略）は、宇宙をくまなく探査し、地球に似た、居住可能な可能性のある太陽系外惑星を探すという。同氏のチームが提案する赤外線観測所では、5機の宇宙船が同期して飛行し、主鏡の幅が1,970フィートの望遠鏡と同等の解像度を実現する。（対照的に、世界最大の宇宙観測所JWSTの主鏡の幅は21フィートである。）昨年、欧州宇宙機関（ESA）は、今後数十年で取り組む3つの主要ミッションテーマの1つとして太陽系外惑星探査を選んだが、LIFEはそれを実現するための有力候補となる可能性がある。 LIFE の構想は勢いを増しているが、宇宙でのヌルリング干渉計が関心を集めたのは今回が初めてではない。数十年前、このアイデアは技術的および財政的な障害によって挫折し、地球外ヌルリング干渉計は事実上実現不可能となった。それ以来の数十年間で、技術の進歩により、ヌルリング干渉計はかつてないほど現実に近づいている。LIFE は、ヌルリング干渉計の復活を果たすミッションとなるかもしれない。

生命の起源

2000 年代以前は、太陽系外惑星の発見はごくわずかだった。人類には単にそれらを探し出す手段がなかったからだ。しかし、努力が足りなかったわけではない。科学者たちは、当時としてはあまりにも野心的すぎると考えられていた太陽系外惑星ハンターのアイデアを次々と思いついたのだ。

ヌル干渉法は、1978 年にスタンフォード大学の電気技師ロナルド ブレイスウェルによって初めて提案されました。その後、NASA と ESA はそれぞれこの概念を採用し、2002 年に地球型惑星探査干渉計 (TPFI) ミッション、1993 年にダーウィン ミッションを承認しました。科学界にとって残念なことに、予算の制約により TPFI は 2007 年にキャンセルされました。同じ年に、ESA はダーウィンを廃止しました。両方のミッションにおいて、当時の技術と太陽系外惑星に関する知識は、莫大な費用を正当化するには明らかに不十分でした。両宇宙機関はアイデアを棚上げし、行き詰まったプロジェクトとして歴史の奥深くに葬り去りました。

当時、太陽系外惑星の探索はリスクの高い冒険でした。そもそも発見すべき新しい世界がそれほど多くなかったとしたら、スペースヌル干渉計のような革新的な新技術への投資は価値がなかったのかもしれません。

すべてが変わったのは、新しい子供、ケプラーがやって来たときでした。

この気の利いた宇宙望遠鏡は、隠れた太陽系外惑星を見つけるために「トランジット」と呼ばれる方法を採用した。太陽系外惑星が恒星の周りを数回周回するのに十分な時間、恒星をじっと見つめる。恒星の光が周期的に点滅する様子は、恒星の前を通過する（つまり、恒星の写真に写り込む）太陽系外惑星の可能性を示唆する。この忠実な天体観測者は、トランジット法を実行するために、全盛期を通じて同じ空の領域を調査した。

ケプラーは2009年に初めて観測を開始し、1年後には未知の太陽系外惑星を初めて発見した。ケプラーの初観測の10年前には、数百の太陽系外惑星が発見されていた。しかし、その数は少なすぎたため、科学者たちは太陽系外惑星、ましてや居住可能な惑星が、ありふれたものなのか珍しいものなのかを知ることができなかった。しかし、ケプラー計画が太陽系外惑星発見のゴールドラッシュを巻き起こした。銀河に散らばる恒星の数と同じくらい多くの太陽系外惑星が宇宙に存在していることを科学者たちは認識した。現在知られている5,000以上の太陽系外惑星のうち、ケプラーは9年間にわたり静かに夜空を見守ってきたが、その半分以上を観測した。

ケプラーの生産性にもかかわらず、トランジット法には独自の限界がある。つまり、太陽系外惑星が恒星の周りを数回往復するのを長い間待つことになる。そのため、熱心な天体観測者は、一度に同じ空の断片を数年間しか見つめることができない。もし人類が宇宙全体を見渡し、太陽系外惑星が軌道を一周するのを待たずにリアルタイムで追跡できる観測所を持っていたら、科学者が発見できる太陽系外惑星の宝庫を想像してみてほしい、とクアンツ氏は言う。

クアンツ氏とチームはケプラーの生産性の統計を取り、太陽系外惑星を直接検出できるLIFEのような仮想ミッションの収益率をシミュレートした。「私たちはただ第一印象を知りたかっただけです」とクアンツ氏は言う。「そしてその答えは圧倒的なものでした」。彼は2017年頃、夕食の席で自分より年上のベテラン研究者たちに初期の計算を伝えたことを思い出している。「DARWINは太陽系外惑星をいくつ発見できたと思いますか」と彼は彼らに尋ねた。ある教授が適当に12という数字を言ったとクアンツ氏は覚えている。クアンツ氏は、1年も経たないうちにLIFEのようなミッションなら300個以上特定できるだろうと語り、聞き手を驚かせた。

「このミッションが何をもたらすかを知るだけで、興奮しました」とクアンツ氏は言います。TPFI とダーウィン以来、技術は進歩し、宇宙ベースのヌルリング干渉計はもはや考えられないものではなくなりました。それどころか、LIFE のような構想は実現可能になりつつあります。「私はこのアイデアにすっかり夢中になりました」とクアンツ氏は付け加えます。

空飛ぶ宇宙望遠鏡、新たな発想

ヌルリング干渉法が宇宙探査の次の大きな転換点となるとしたら、それはクアンツのような若く強い意志を持った人々のおかげだろう、とNASAの天体物理学者バートランド・メネソンは言う。メネソン自身も、他のプロジェクトに転向させられる前はTPFIに取り組んでいた科学者の一人だった。「新しい人々がこれに目を向け、新しい結論に達するかもしれないのは良いことだ」と彼は付け加える。その一例は、そもそもこの技術が合理的に実現可能かどうかだ。次のステップでは、さまざまな宇宙チームを集めて実用的なプロトタイプを組み立て、多額の資金を競い合う必要があるだろう。

やるべきことリストの上位にあるのは、自律型宇宙船による編隊飛行の実証です。LIFE は、恒星を背にして照らされた太陽系外惑星からの赤外線信号を収集し、その放射を中央の探査機にリダイレクトする 4 機の独立した収集宇宙船で構成されます。LIFE が機能するには、科学者は推進システム、宇宙船間の通信、およびそれらが動作する波長の精度を一定に保つ能力を準備する必要があります。これらの自律型赤外線収集機は数千フィートの間隔で配置され、ターゲット位置からのずれは最大でも人間の髪の毛の幅の 10 分の 1 に過ぎません。

近年の小型衛星（スモールサット）と群集技術の台頭は、編隊飛行を形に整え、LIFE（またはヌル干渉計）に新たな命を吹き込むために極めて重要です。低地球軌道上のスモールサットとキューブサットは、編隊飛行を初めて行うのに適したプロトタイプ プラットフォームです。技術のさまざまな側面を解決するためのテストベッドとして、少数の軌道編隊飛行機が地球近くに配備されており、近い将来にさらに数機が配備される予定です。これらの段階的なステップにより、今後数十年間で編隊飛行の実現可能性が証明されるでしょう。

LIFE にとってのもう 1 つの課題は、現在の赤外線技術を形にすることです。幸い、JWST の開発により、新しいプロジェクトで最終的に使用される中赤外線光学系が加速されました。赤外線は、惑星の大気中の多くの化学物質がこの波長で吸収するため、惑星探索干渉計に適した光の波長です。LIFE は、まず第一に新しい居住可能な惑星を発見する感度が高くなるだけでなく、その名前の通り、科学者が惑星表面のメタンや二酸化炭素などの潜在的な生物シグネチャーをさらに詳しく研究できるようになるかもしれません。

その間、科学者たちが上空の赤外線干渉計を待つ間、地上の赤外線干渉計を開発し、有効活用する努力が不足することはありません。この解決策は、地上で個々の望遠鏡を簡単に移動できるため、編隊飛行を回避します。（チリの超大型望遠鏡干渉計では、4つの補助望遠鏡のそれぞれをトラックの上に載せて移動させることができます。）しかし、これらの望遠鏡は、赤外線天文学の宿敵である大気と戦わなければなりません。大気は天からのこの放射を吸収します。空気の乱気流もこれらの微かな地球外の読み取りをぼやけさせます。「プールの底から外の世界を見上げているようなものです」とオーストラリアのシドニー大学の天体物理学者バーナビー・ノリスは言います。

ミッションへの新たな希望

宇宙ベースのヌルリング干渉計は避けられないように思われるが、宇宙機関は今のところそれを実行するための具体的な計画を立てていない。

ヌル干渉法はESAの確認済みのミッションの一つではなく、ESAは同技術の開発に特に資金を割り当てていない。「現時点では、少なくとも2050年までは、当面の課題ではありません」とESAの科学ディレクター、ギュンター・ハシンガー氏は言う。「現時点でその技術を宇宙に投入するのは、あまりにも要求が厳しすぎるのです。」

大西洋の向こう側では、NASA が、実質的にはより単純だが、やや短い波長に適した、恒星の光を遮る代替技術を積極的に追求している。メネソン氏は、これらの技術は必ずしもヌルリング干渉法の代替にはならないが、地球外生命体の探索においてヌルリング干渉法を補完できると述べている。

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それでも、中赤外線波長に焦点を絞ることで地球に似た遠方の惑星を解像できるヌルリング干渉法の能力は、他の太陽系外惑星探査法では埋めることのできないニッチな分野です。

「テクノロジーに関しては、やるべきことがたくさんあるのは明らかです」とノリス氏は言う。「しかし、克服できないことはないと思います。」

クアンツ氏は、LIFEを実現するために、宇宙機関からの承認や民間企業との協力など、あらゆる手段を模索するつもりだと語る。

彼は、LIFE が感謝しなければならないミッションの立役者である、カリフォルニア州 NASA エイムズ研究センターの元宇宙科学者で、ケプラー ミッションの主任研究者であるウィリアム ボルッキ氏にインスピレーションを受けている。人類がこれまでに誇示してきた最も革新的な太陽系外惑星探査機であるケプラー自体が、困難なスタートを切ったとは想像しにくいかもしれない。このミッションのコンセプトは、1990 年代初頭から NASA に 4 回拒否され、最終的にほぼ 20 年後に配備された。

クアンツ氏は、2014年にポルトガルのカスカイスで開催された会議でボルッキ氏から次のようなアドバイスを受けたことを覚えている。「本当に何かを確信しているなら、そのために立ち上がって、実現させなければなりません。」このスターたちが集まった伝統を引き継ぎ、LIFE は先人たちが残したところから始まり、大空を目指して飛躍するだろう。