ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡はまもなく「初光」の観測を開始する

1609 年、ガリレオ ガリレイは、キュウリの輪切りほどのレンズを備えた望遠鏡を天に向け、クレーターだらけの月面を観測しました。それ以来、望遠鏡は広大で未踏の宇宙を理解する上で非常に貴重な道具となっています。夜空の観測は天の川や近距離および遠距離のその他の銀河に関する新しい理論を生み、それらを検証するためのより優れた装置も登場しました。私たちは、より大きな鏡、コーティング、より洗練された光学系を追加し、望遠鏡を宇宙に打ち上げることで、長い道のりを歩んできました。

「天文学は最も古い研究分野の一つですが、科学の歴史の大部分において、私たちは夜空で肉眼で見えるものだけを研究してきました」とテキサス大学の天文学者ケイトリン・ケイシーは言います。「1600年代の望遠鏡の発達は本当に画期的で、私たちは宇宙をどんどん深く覗くことができるようになりました。それが次から次へと謎を生み出し、答えはいくつかありますが、疑問は増えるばかりです。」

ガリレオがキュウリほど薄いレンズをのぞいてから 4 世紀以上が経ち、NASA はこれまで宇宙に打ち上げられた望遠鏡の中で最大、最強、そして最も期待されている望遠鏡を打ち上げる予定です。30 年の間、人々は地球を周回するハッブル宇宙望遠鏡を通して宇宙を見ることに慣れてきました。ハッブルの科学的後継機と謳われるジェイムズ・ウェッブ望遠鏡 (その名前には議論の余地があります) は、私たちがほとんど知らない宇宙の誕生当初の光を追跡することができます。

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「これはこれまで私たちが行った科学ミッションの中で、断然最も複雑なものです」と、NASAゴダード宇宙飛行センターのウェッブ光学望遠鏡要素マネージャーで、過去20年間この観測所の光学系に取り組んできたリー・ファインバーグ氏は語る。

ウェッブ望遠鏡は、予定より14年遅れ、予算を20倍も超過し、フランス領ギアナのクールーにある宇宙港への道のりで多くの困難に直面した。（チームは先週、データケーブルの不具合のため、打ち上げ日を12月24日に延期した。）しかし、14カ国から集まった1,000人以上の科学者、技術者、エンジニアが開発中に生じた課題を克服し、ついに望遠鏡は「ファーストライト」を求めて飛び立つ準備が整い、天文学者をこれまで以上にビッグバンに近づけることになる。

タイムトラベル用に作られた巨大な鏡

光学技術と画像技術の画期的な進歩により、天文学者は宇宙の歴史の大部分を観測できるようになった。しかし、宇宙がどのように始まったのかを理解することに関しては、詳細は未だ不明瞭である。

これまでのところ、望遠鏡では、生命が誕生した最初の星から発せられたきらめきである宇宙の最初の光を観察できるほど遠くまで覗くことはできませんでした。しかし、ウェッブには、そのかすかな輝きを集めて焦点を合わせるために特別に設計された最新の技術が搭載されています。

大きさは解決策の一部だ。軌道上の観測所は、超軽量のベリリウムで作られた巨大な鏡を使用する。これは、極低温でも形状を保てるという理由で選ばれた。金属とガラスは、幅 21 フィートを超えるハニカム形状に組み立てられ、18 個の六角形の鏡のセグメントは展開でき、非常に効率的に光を集めることができる。「地上の望遠鏡の基準から見ても、かなり大きな望遠鏡です」と、1990 年代後半からウェッブ プロジェクトの作業グループに所属しているアリゾナ大学スチュワード天文台のマーシャ リーケは言う。

31年間地球を周回しているハッブル宇宙望遠鏡と同様に、ウェッブ望遠鏡はカセグレン反射型望遠鏡です。主鏡で光を集めて副鏡に焦点を合わせ、そのエネルギーを3台の超高感度カメラを含む4台の最新機器で再反射させて画像を作成します。鏡の面積が大きいほど、より多くの光を集めることができ、より高解像度で微かな物体を記録できます。カメラの絞りを大きくするようなものだとリーケ氏は説明します。2022年夏から天文学者がウェッブの地球向けアンテナからデータを取得すると、ハッブル宇宙望遠鏡や宇宙にある他の既存の望遠鏡で撮影されたものよりも優れた画像が得られます。

ウェッブは、ハッブル望遠鏡の残したものを補うだけでなく、さらに上を行くように設計されている。たとえば、ハッブル望遠鏡は133億年前まで遡ることができるが、これは宇宙が誕生した直後のことだ。対照的に、ウェッブはさらに過去をのぞき見ることができ、6倍以上の光を取り込み、100倍の拡大率を実現している。ウェッブのカメラの視野もハッブルの15倍広い。（一方、ガリレオの望遠鏡の視野は非常に狭く、月がすっぽりと収まるほどだった。）

中間赤外線で宇宙を見る

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、人間の目に見えるスペクトルのすぐ外側にある赤外線を捉えます。これにはちゃんとした理由があります。宇宙の膨張により、遠くの物体からの光は、スペクトルのより赤い端にあるより長い波長にシフトします。さらに、新しく形成された恒星や惑星は、可視光を吸収する塵の後ろに隠れています。ウェッブの赤外線望遠鏡は、その塵を突き抜けて、その背後にあるものを明らかにすることができます。

ウェッブ望遠鏡の 4 つの検出装置のうち 3 つ (撮像カメラ 1 台と 2 台の異なる近赤外線分光器) は、0.6 から 28.8 ミクロンの赤外線波長範囲全体をカバーします。リーケ氏は望遠鏡の近赤外線カメラ (略して NIRCam) の設計に携わり、打ち上げ時には主任研究者となります。このカメラにより、ウェッブ望遠鏡は宇宙の未踏の隅々からより鮮明な画像を撮影し、天の川銀河とほぼ同じ年齢の銀河の光を捉えることができるようになります。

ウェッブのミラーは、他のほとんどの金属よりも赤外線をよく反射する微細な金の層で覆われている。そのため、反射率は約 98 パーセント（一般的なミラーの反射率は 85 パーセント）となり、入射する光子のほぼすべてを捉えることができる。「非常に技術的な理由で金を選んだのですが、たまたま見た目がとても興味深いという理由もあります」とフェインバーグ氏は言う。

本質的に、ウェッブは熱を検知する望遠鏡だとリーケ氏は付け加える。しかし、その役割を果たし、銀河のかすかな兆候を捉えるためには、望遠鏡の一部が非常に冷たくなければならない。さもないと、望遠鏡が捉えるのは望遠鏡自身の放射だけになってしまう。ウェッブにはテニスコートほどの大きさの日よけがある。これはカプトンと呼ばれる素材でできた5層のダイヤモンド型構造で、太陽光線を遮断し、華氏マイナス390度まで冷却できる。その程度の極寒では、望遠鏡が放射する放射は非常に少なくなり、赤外線カメラやセンサーに干渉しなくなる。

ウェッブはハッブルの後継機と呼ばれることが多いが、リーケ氏によると、ウェッブは実際には、同じく赤外線機能を備えたスピッツァー宇宙望遠鏡のより大きく、より感度の高い兄弟分である。スピッツァーは、地球に画像を送信するには飛行距離が遠すぎたため、2020年1月に退役した。そして、ウェッブとスピッツァーはどちらも、1983年に宇宙に打ち上げられた最初の赤外線望遠鏡である赤外線天文衛星の後継機である。

ハッブル望遠鏡の特徴は、主に人間が見ることができるのと同じ種類の光を捉え、赤外線スペクトルのごく一部にしか感度がないことだ。「ハッブル望遠鏡は、より遠くの銀河を見つけるために精力的に研究してきました」と、ウェッブ宇宙望遠鏡の主任研究員であるケイシー氏は言う。「しかし、より長い波長まで拡大できないため、限界があります」。そして、ハッブル望遠鏡が赤外線で画像を生成する場合、その画像は自身の放射線によって汚染されることがよくある。

天文学の最も強力なツール

ウェッブは、宇宙のほぼ100万マイル先に恒久的な住処を見つけたら、忙しく活動することになるだろう。

ウェッブの最初の年には、世界中から1000を超える天文学者のチームが望遠鏡の使用時間を申請したが、ケイシー氏とロチェスター工科大学のジェイハン・カルタルテペ氏によるプロジェクトは、ウェッブの最初の観測年に承認された286の提案の中に含まれていた。ほとんどのグループには約6時間の観測時間が与えられたが、ケイシー氏とカルタルテペ氏の研究チーム（世界中に散らばる約50人で構成）には、ビッグバン直後に作られた50万個の若い銀河の画像を収集することを目指すCOSMOS-Webbサーベイを実施するために218時間が与えられた。一部のサーベイでは、腕を伸ばした先にあるピンポイントの大きさの空の一部を観測するが、ケイシー氏によると、平均的な夜には満月3個分の大きさの空の一部が観測されるという。

カルタルテペ氏によると、彼らは初期宇宙の最初のポケットが再イオン化された場所を示す泡を探すことになる。つまり、最初の星や銀河からの光が、最終的に宇宙を満たすことになる水素原子をばらばらにしたときのことである。「私たちはそれを『最初の光』と呼んでいます。光子を放出し、それから [それらのエネルギー粒子] を宇宙に送り込み、私たちが見ることができる場所まで移動させることができた最初の星です」とカルタルテペ氏は言い、ウェッブ望遠鏡はもともと「最初の光マシン」と呼ばれていたと付け加えた。ウェッブ望遠鏡は、いまだに謎に包まれ、とらえどころのない暗黒物質を含む、宇宙で最も古い物質の地図作成にも役立つだろう。

ケイシーとカルタルテペのチームは、空の近くの部分を繰り返し観測し、初期の宇宙の歴史のより広い視野をつなぎ合わせることで、最終的には深い視野を開発する予定です。最終的には、星、銀河、暗黒物質の分布と宇宙の起源を探ります。COSMOS-Webb チームは、他の研究者にデータを公開する予定です。

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ウェッブ望遠鏡は赤外線で動作するため、他の恒星の周りの惑星の大気も調べ、水、メタン、二酸化炭素などの分子を探る。この望遠鏡の近赤外線分光器は、人間の髪の毛ほどの幅しかない小さなシャッターを使って、一度に100個の銀河からの光を個々の波長に分解できる。シャッターは、対象からの光子だけを通し、他のすべてを遮断する。この装置はプリズムのように光を全スペクトルに分離するため、研究者は遠く離れた世界の環境をふるいにかけ、そこに居住可能な可能性があるかどうかを知ることができる。

次の目的地は宇宙

これから、望遠鏡の開発における最も危険な段階の一つ、フランス領ギアナのクールーにある宇宙港からの打ち上げが行われます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は非常に大きいため、セグメントを折り紙のように折りたたんで、171フィート×18フィートのアリアン5ロケットに収める必要があった。ハッブルとは異なり、ウェッブ望遠鏡は低軌道には留まらない。宇宙に打ち上げられた後、約30日かけて宇宙の奥深くにある新しい場所に移動し、その後複雑なダンスを繰り広げて鏡を広げ、遠くの銀河に鏡の位置を合わせる。搭載されたカメラは、鏡が所定の位置に入るにつれてさまざまなシーケンスを撮影し、地球に戻ったチームが10億分の1メートルの調整を行うことができる。「[センサーの]精度を光の波長の数分の1以内にする必要があります」とフェインバーグは言う。「実際にこれを実行するまで、かなり長い間待っていました。」調整プロセスには約6か月かかり、その後ウェッブはデータの収集を開始する。

ウェッブ望遠鏡の最高の画像は2022年半ばから公開され始めるが、この望遠鏡の待望の旅の時間は刻々と迫っている。このミッションは5年から10年の寿命を想定して設計されており、遠隔地にあるため、ハッブル望遠鏡とは異なり、何か問題が発生した場合に修理することはできない。そのため、箱から出してすぐに完璧に機能する必要がある。はるか遠くの星々を見つめ続けた10年後、ウェッブ望遠鏡は燃料切れとなり、実質的に数十億ドルの宇宙ゴミになるが、その前に宇宙における私たちの位置に対する見方が永遠に変わることになる。

「ウェブは私が小学生の頃に始まりました」とケイシーは言う。「究極的には故郷である惑星に縛られている種族として、宇宙の遥か遠くまで覗き込み、その始まりを見ることができるというのは本当に驚くべきことです。それはとても深い意味があります。」