暗闇の中でスキャナーを通して1世紀にわたる夜空を記録する

マサチューセッツ州ケンブリッジ — ハーバード大学キャンパスの、古風で窮屈な建物の地下室。ジェットコースターの設計者でも目が回ってしまうようならせん階段を下りると、棚や書類棚に 100 年間の星が溢れている。世界中の望遠鏡から運ばれてきたガラス写真乾板には、1890 年のビーハイブ星団の様子や、1908 年のケフェイド変光星の様子が記録されている。ガラス乾板 (約 525,000 枚) は、私たちの先祖が見た空の唯一の永久記録となっている。

しかし、170 トンのデータベースは天文学の歴史のアーカイブ以上の意味を持っています。科学者がそれを掘り起こすことができれば、それは新しい発見の金鉱となる可能性があります。その目標を念頭に、天文学者とアーカイブ専門家の小さなグループが、カスタム構築されたテクノロジーを使用して、この膨大なデータセットをデジタル時代に持ち込んでいます。

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3～4年後に完成すると、アーカイブは1.5ペタバイトのストレージを消費することになる。ウェブにアクセスできる天文学者なら誰でも、星のカタログをクリックして個々の星の光度曲線を表示し、時間の経過とともにその星がどう明るくなったり暗くなったりしたかを見ることができる。

「これほど完全な形で100年分のデータを持っているのは他にありません」と、正式名称は「Digital Access to a Sky Century @ Harvard」というこのプロジェクトを率いるハーバード大学の天文学者、ジョシュ・グリンドレー氏は言う。「ここにはまさに成果の宝庫があり、私たちはまだその表面をなぞったに過ぎません。」

11月1日の時点で、研究者らは18,812枚のプレートをスキャンしたが、これはコレクションの3％強にあたる。しかし、グリンドレイ氏自身の研究が示すように、それらはすでに実を結びつつある。同氏はつい先日、天体物理学ジャーナルに、潜在的に重要な発見である、Ia型超新星の質量集積形成に関する論文を提出した。天文学の歴史に興味のある人にとっては、これはハーバードの天体写真の伝統をほぼ感動的に完全な円環に戻す発見である。1912年、ハーバードの天文学者ヘンリエッタ・スワン・レビット氏は写真乾板を使用して、宇宙論の測定に使用された最初の「標準光源」であるセフェイド変光星を発見した。1世紀後、別の天文学者が同じ画像を使用して、第二世代の宇宙の基準であるIa型超新星を再発見し、ノーベル賞のきっかけとなった。

「これは、100年間のデータの中に、信じられないほど素晴らしいものが潜んでいることを示している」とグリンドレー氏は言う。

このプロジェクトは、新しい科学の実現を可能にするとともに、現代の技術で過去をどのように保存できるかという教訓にもなった。人類最古の空の写真をスキャンするには、ハーバード大学の博士研究員やエンジニアが集められる最先端の画像技術が必要だ。

写真乾板とは何ですか?

ハーバード大学のチームが行っていることを理解するには、天体写真の知識が役に立つ。電荷結合素子が発明されるまで（電荷結合素子自体がノーベル賞を受賞した）、天文学者は空の写真を撮るのに主にガラスのスライドを使用していた。このガラスのプレートは一般に 8×10 インチまたは 14×17 インチで、片面は感光性の銀ゲル乳剤でコーティングされていた。乳剤を保護するためにクロークを使用し、天文学者はガラスを望遠鏡の端にあるテールピースに差し込み、星の光にさらした。この露出写真は後に水銀蒸気または他の化学物質で現像され、さらに研究するためにケンブリッジに送り返された。

これらのプレートをデジタル化する作業は、写真のネガをスキャンするのとよく似ています。ネガを照らして写真を撮るだけです。2005 年に、ボストンのアマチュア望遠鏡メーカーのエンジニアとボランティアが、これを行うための高速スキャナーを設計しました。デジタル化された画像は星表と照合され、各プレート上のすべての星の光度曲線データを抽出するために使用されます。この装置は、14×17 インチのプレート 1 枚または 8×10 インチのプレート 2 枚を一度にスキャンする必要があり、超高解像度である必要があり、ぼやけを防ぐために冷却され完全に静止している必要がありました。そして、すべてが地下室の小さな窓 2 つに収まる必要がありました。

1 枚ずつ取り付けられたデジタイザーは、リニア サーボ モーターでプレート上を移動し、レーザー エッチングされたマーキングでガイドされます。デジタイザーは花崗岩の板の上に設置され、その板自体が空気圧脚で保護されているため、上にある古い建物からの振動による干渉を防いでいます。LED 光源が 8 マイクロ秒のバーストでプレートの乳剤を照らし、CCD カメラが 8×10 プレートごとに 60 枚の重なり合った画像をキャプチャします。最終的な解像度は 1 ピクセルあたり 11 ミクロン、つまり 2,309 dpi で、92 秒でキャプチャされます。言い換えると、このマシンは 1 分半で、一般的な 1 時間半の映画の DVD に含まれるデータ量とほぼ同じ量を生成します。
ハーバード大学のプレートスキャナーは、90 秒間で、90 分間の DVD に含まれるデータとほぼ同じ量のデータを生成します。
最悪なのは、このプロセスを開始する前に、まずすべてのプレートを洗浄し、手動でプレートをセットする必要があることです。これは、最近アリソン・ドーン氏の時間の多くを占める骨の折れる作業です。

乾板は生きた図書館のようなもので、古い本と同じように、過去 1 世紀の間にかなりの量の注釈が付けられてきました。天文学者は、研究中の内容をメモするために、ガラス面 (乳剤面ではない) に書き込みました、と Doane 氏は説明します。

「手書きの書き込みが頻繁にあります。星の名前、明るさ、位置、発見箇所を丸で囲むなどです」と彼女は言います。「それをすべて取り除かなければなりませんが、これは大変な作業です。楽しいことではありませんが、そうしないと、プレート上に実際にある星の2倍の星が見えてしまいます。」落書きを記録した後、彼女と少数の作業員と学生が、窓拭き用クリーナーとカミソリを使って手作業で落書きを取り除きます。

ドーン氏が、国立科学財団の助成金で製作中の特注の自動皿洗い機を受け取ったら、この作業はもっと簡単になるだろう。この機械は洗車機の下部構造のように機能し、ガラス面を下にして乳剤を保護した状態で皿をコンベアに沿って動かす。現在の試作品は 2 種類のブラシを採用しているが、ドーン氏と、スキャナーの開発も監督した設計者のボブ・シムコー氏は、カミソリも追加することを検討しているという。

グリンドレイ氏は、洗浄機と、10月に作業を開始した追加スタッフのおかげで、1月までにプロジェクトがフル稼働することを期待している。同氏は、1日あたり200～300枚のプレートをスキャンし、最終的には1日あたり400枚まで増やしたいと考えている。このペースでいけば、約4年で完了することになる。

ハーバードの遺産をデジタル化

ハーバード大学天文台自体と同様、このプレート コレクションは天体写真の歴史において大きな位置を占めています。1850 年 7 月、ダゲレオタイプ写真家のジョン アダムス ウィップルは、天文台のマホガニーと真鍮でできた大屈折望遠鏡を使用して、ベガという恒星の最初の写真を撮影しました。1880 年代後半までには、天文台長のエドワード チャールズ ピカリングは全天を撮影しようと努め、北半球と南半球から写真を収集していました。大学は 1896 年にペルーのアレキパに 24 インチの望遠鏡を出荷し、続いて南アフリカやその他の場所にも望遠鏡を出荷しました。その後 30 年間、天文学者らは望遠鏡の観測管にガラス プレートを差し込み、全天を露出させて撮影し、それを収集してケンブリッジに送り返しました。

そこでは、数学が得意だという理由でピカリングが採用した女性たち「コンピューター」がプレートを検査し、拡大ルーペでプレートを精査し、直径を調べて星の明るさを計算した。最も有能なコンピューターの一人であるリービットは、大マゼラン雲でセフェイド変光星を発見した。これは天文学的な距離を決定するのに非常に重要になった。リービットの発見がなければ、エドウィン・ハッブルは膨張する宇宙を発見できなかっただろう。

「科学を行う方法としては、とても古いやり方です」とドーン氏は言う。「若い科学者、中年の科学者でさえ、プレートの見方を知りません。点の大きさのものを見て、ほんの少しの大きさの変化を見て、それが明るくなっていると理解するほどの発達したスキルを持っていないのです。」

現代のコンピュータは、プレートをスキャンするとすぐに恒星の等級を計算するという作業を自動的に行う。グリンドレイ氏はこのデータを使ってIa型超新星を発見したと語る。彼は14等星（非常に暗い星で、肉眼で見える最も暗い星よりも数桁暗い）がすぐに12等星（2桁明るいが、それでも比較的暗い）に明るくなったことに気づいた。この増光は珍しい形で起こり、10年かけて急速に増加し、ゆっくりと減少したとグリンドレイ氏は語る。天文学者はこれを星表と照らし合わせて調べ、連星系のM型巨星、つまり大きな赤い星であると判定した。では、なぜこの明るい閃光を発したのか？グリンドレイ氏の説明によると、白色矮星が赤色巨星の周りを回っており、より大きな伴星から質量を獲得している。質量の獲得によって、より小さな星の表面で熱核燃焼が始まった。そして、これがIa型超新星が誕生する仕組みである。

「これは私たち天体物理学者が何年も探し求めてきたものです」とグリンドレイ氏は言う。「100年分のデータと、この驚くべき現象を起こしている1つの星のおかげで、私たちが見つけたのは、白色矮星に質量を加える仕組みに関する、おそらく長年探し求められてきたものであると考えられます。」

他の天文学者たちは、遺産の乾板をさまざまな新しい科学に利用している。カナダのビクトリアにあるハーツバーグ天体物理学研究所の天文学者、エリザベス・グリフィンは、1905年から1980年代までの近紫外線ネガを掘り起こし、オゾン層を研究している。彼女は、星の光を構成要素に分割したスペクトル線を調べ、天文学者が星の組成を判定できるようにする。大気はネガに独自の特徴を刻み込み、場合によっては天文学的測定に直接干渉する。たとえば、オゾンは、星の年齢を判定するために研究できるベリリウム元素の邪魔になる。

「[数十年間]、人々はオゾンについてほとんど聞いたことがありませんでした。彼らはオゾンがひどく厄介なものだと思っていました」とグリフィン氏は言います。天文学者はオゾン層のスペクトル特性を特定し、それをフィルタリングする方法を習得しました。現在、グリフィン氏はその信号を探し、残りを無視して、オゾン層の厚さが時間とともにどのように変化するかを調べようとしています。「オゾンは夜ごとに、場所ごとに大きく変化することはわかりました」と彼女は言います。「これは文化遺産データの新しい用途でした。」

それでも、ハーバード大学のコレクションははるかに大きく、空の両半球を代表する唯一のコレクションです。これは、いくつかの分野の天文学者、おそらくは光度曲線情報が特に重要なケプラー宇宙望遠鏡を使用する天文学者にも役立つでしょう。グリンドレイ氏によると、いわゆるケプラーフィールド、つまり白鳥座のベガと北十字星の間の領域は、スキャンがほぼ完了しているとのこと。ケプラーのデータを使用して最初の周連星系惑星を発見したSETI研究所の天体物理学者、ローレンス・ドイル氏は、光度曲線は研究者に恒星の歴史について多くのことを教えてくれると述べています。「光度曲線を使ってできることはほぼ無限にあります。光度曲線を使用するだけで、周連星系惑星を3つの方法で検出できます」と彼は言います。「時間領域は天文学で十分に研究されていません。」

これらのスライドには他に何が隠されているかは誰にもわかりません。ただ発見されるのを待っているだけです。