赤外線宇宙望遠鏡の役割は何ですか?どんなきらめく星を撮影しましたか?

天文学者は曇り空が嫌いです。星が見えないほど悲しいことはありません。しかし、雲のない夜空であっても、可視光帯域の光は限られています。紫外線、赤外線などの波長の光は、地球の大気中の水蒸気、二酸化炭素、オゾンなどのガスによってほとんど吸収され、地上の人々をほとんど無力にしてしまう。しかし、可視光では見えない多くの詳細がこれらの帯で確認でき、これは天文学にとって大きな意義を持ちます。例えば、赤外線帯域では若い星、惑星、原始銀河を観測することができ、これは宇宙、天の川、太陽系、さらには地球と生命の起源を分析する上で非常に重要です。

天文学者たちは、大気の影響から逃れる方法を考えようと頭を悩ませた。最も直接的かつ効果的な方法は、宇宙望遠鏡衛星を打ち上げて地球の大気圏外で観測を行うことです。

気球と航空機による観測

可視光に近い近赤外線帯は、可視光と似た性質を持ち、地球の大気中の水分量が少ない場所でも観測できます。そのため、地上の赤外線望遠鏡は主に乾燥した砂漠、高原、または南極大陸に設置されます。しかし、これらの地上望遠鏡では、中赤外線および遠赤外線帯域での観測を行うことができません。 1960 年代、天文学者は赤外線観測のために、気球を使って水分量の少ない高高度まで検出機器を運ばざるを得ませんでした。しかし、バルーン検出の観測時間は短すぎ、安定性が悪く、不確実性が比較的高かった。

地球の大気によるさまざまな帯域の電磁波の吸収率の模式図

1974年、改造されたロッキードC-141輸送機が上空に飛び立ち、高度14キロメートルの成層圏で赤外線観測を実施しました。これは、当時の赤外線天文学者から宝物とみなされていたNASAのカイパー空中天文台（KAO）でした。この航空機には、巡航高度で赤外線波長の85％を観測できる0.915メートルの反射望遠鏡が搭載されています。風に流されてしまう従来の気球に比べ、この航空機はより安定した観測条件を提供し、7.5時間以上の連続観測が可能です。カイパー空中天文台は計1,417回の飛行を実施し、豊富な観測成果を得て、赤外線天文学の発展に大きく貢献しました。この衛星は天の川銀河の中心部や他の銀河の遠赤外線画像を撮影し、星形成領域における水と有機分子の分布を研究し、1977年に初めて天王星の環を発見し、1988年には冥王星の大気の存在を確認した。カイパー空中天文台は1995年に廃止された。

カイパー航空天文台とその望遠鏡のクローズアップ

天文観測衛星を打ち上げるのに比べ、航空機搭載型観測衛星はコストが低く、人力によるメンテナンスが容易であるなどの利点があり、現在でも開発・利用が進められています。カイパー空中天文台の退役後、NASAはより強力なSOFIA成層圏赤外線天文台（SOFIA）の開発を開始し、2010年に初観測を行った。ボーイング747ワイドボディ機を改造したこの機体は、尾部に高さ5.5メートル、幅4.1メートルのドアを備え、直径2.5メートルの反射望遠鏡を備え、夜間に10時間連続飛行できる。 SOFIAは現在も運用されており、惑星の大気と表面の組成を研究する予定です。彗星の構造、進化、構成を調査する。星間物質の物理的および化学的性質を決定する;恒星やその他の星の形成過程を探ります。

ソフィア赤外線天文学成層圏観測所とその望遠鏡のクローズアップ

赤外線天文衛星（IRAS）

航空機搭載型赤外線観測装置は安価ですが、赤外線の15%は依然として目に見えず、航空機の振動の影響は避けられません。したがって、赤外線を放射する宇宙望遠鏡が依然として最良の選択です。 1983 年 1 月 25 日、米国、オランダ、英国は共同で世界初の赤外線宇宙望遠鏡である赤外線天文衛星 (IRAS) を打ち上げました。

IRASが撮影した赤外線全天サーベイ画像

IRASは重量1.08トン、直径0.57メートルの主鏡を搭載し、高度900キロメートルの太陽同期軌道で運用される。人類が地球の大気の影響を完全に回避し、何の障害もなく赤外線帯域で天体観測を行ったのはこれが初めてです。 IRAS は、12 ミクロン、25 ミクロン、60 ミクロン、100 ミクロンの 4 つの異なるバンドで天空の 96% をスキャンし、宇宙ベースの赤外線天文学の先駆けとなる世界初の赤外線全天調査画像を取得しました。 IRAS は約 35 万個の赤外線源を発見しましたが、そのほとんどはまだ特定を待っています。さらに、4つの小惑星と6つの彗星など新たな天体も発見した。

IRASは宇宙で超流体を使用する最初の衛星です。赤外線の強度は物体の温度と相関関係にあるため、衛星自体も赤外線を放射します。 IRASは衛星自身の赤外線の影響を避けるため、冷媒として73キログラムの超流動液体ヘリウムを搭載していた。この液体ヘリウムはゆっくりと蒸発し、望遠鏡を -271°C (2 ケルビン) という極低温まで冷却します。これらの液体ヘリウム資源は限られています。 9か月と26日間の運用後、液体ヘリウムが枯渇し、IRASの温度が上昇して通常の観測に影響が出たため、ミッションは終了しました。

赤外線宇宙観測衛星 (ISO)

1995 年 11 月 17 日、ESA の主導の下、宇宙航空研究開発機構および NASA と協力し、赤外線宇宙観測衛星 (ISO) が打ち上げられました。 IRAS と比較して、ISO のパフォーマンス指標はさらに改善されています。重量は2.5トン、主鏡の直径は0.6メートルで、近地点高度1,000キロメートル、遠地点高度70,600キロメートルの大きな楕円軌道で運用されます。この軌道では、軌道周期は24時間であり、これは地球の自転速度や地上の科学研究者の作業と休息と一致しており、観測所の利用効率の向上につながります。

ISOの主鏡

IRASを参考にしてISOの設計指標を改良しました。 4つの観測機器を搭載しており、観測波長範囲は2.5～240ミクロンまで拡大しています。 12ミクロン帯域での感度は1,000倍、角度分解能は100倍向上しました。それは「小さなことから大きなことを見る」ことだと言えます。さらに、283キログラムの液体ヘリウム冷媒を搭載しており、耐用年数はさらに約2年半に延長されます。

ISO の長波分光計スペアパーツ

ISOは実りある観測結果を達成しました。もともと天文学者は、惑星は若い恒星の周囲にしか形成されないと考えていたが、ISO は死にゆく恒星の周囲に若い惑星を発見し、理論的知識を広げた。 ISOは搭載している赤外線分光計により優れた性能を発揮します。スペクトルを識別することで、遠くの天体の物質組成を判定することができます。例えば、ISO は太陽系のいくつかの惑星の大気の化学組成を測定し、星間ガス雲内のフッ化水素分子を初めて検出しました。また、オリオン星雲に水分子が存在することも検出されました。

かに星雲は、波長によってさまざまな詳細を観察できます。

スピッツァー宇宙望遠鏡

スピッツァー宇宙望遠鏡は、IRAS と ISO に続く、赤外線天文学専用の 3 番目の宇宙望遠鏡です。 1946年に早くも宇宙空間に望遠鏡を設置するというアイデアを提唱したアメリカの天文学者ライマン・スピッツァーにちなんで名付けられました。

スピッツァー宇宙望遠鏡は2003年8月に打ち上げられ、重さはわずか0.95トンだが、主鏡は軽量金属ベリリウムで作られているため、直径は0.85メートルある。より高度な冷凍技術により、消費される液体ヘリウムの量が大幅に削減されました。搭載された液体ヘリウムはわずか50.4キログラムだったが、6年近くも持ちこたえた。スピッツァー宇宙望遠鏡は特別な地球追跡軌道を選択しました。この軌道では、望遠鏡は年々地球から遠ざかり、地球の赤外線熱源が観測に与える影響をさらに減らし、液体ヘリウムの使用も減らしていきます。

スピッツァー観測のシミュレーション

スピッツァー望遠鏡は、3.6～160ミクロンの検出帯域を持つ3つの観測機器を搭載しています。最も有名な検出成果は、2005年に太陽系外惑星を直接捉えた最初の望遠鏡となったことです。2006年3月、スピッツァー望遠鏡は天の川銀河の中心に長さ80光年にわたる二重らせん星雲を発見しました。天文学者の分析によると、二重らせん状にねじれている理由は、中心に超大質量ブラックホールがあるためだ。ブラックホールによって生成される巨大な磁場により、光の進路が曲げられます。これはブラックホールの存在の直接的な証拠の一つです。

スピッツァー望遠鏡で撮影された「神の目」渦巻き星雲。青は 3.6 ～ 4.5 ミクロンの波長に、緑は 5.8 ～ 8 ミクロンの波長に、赤は 24 ミクロンの波長に相当します。

スピッツァーは2009年5月15日に液体ヘリウム冷媒がなくなり、遠赤外線観測を終了した。冷媒が使い果たされた直後に退役した前2世代のIRASとISOとは異なり、スピッツァーの赤外線アレイカメラはそれ以来近赤外線帯域で動作し続け、より多くの太陽系外惑星、褐色矮星、原始星、その他の遠くて暗い天体を発見してきました。この期間は「スピッツァー温暖化ミッション」と呼ばれています。 2020年1月30日になってようやく、電力供給不足のため永久に閉鎖された。スピッツァー望遠鏡は、最後のエネルギーを使い果たした後、永遠の眠りについた。

ハーシェル宇宙望遠鏡

2009 年 5 月 14 日、ESA はハーシェル宇宙望遠鏡の打ち上げに成功しました。この宇宙望遠鏡は、天王星を発見した天文学者ウィリアムとキャロライン・ハーシェルにちなんで名付けられました。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げ以前は世界最大の宇宙望遠鏡であり、重さは3.4トン、主鏡の直径は3.5メートルであった。口径が大きいほど、より強力な観測能力が得られます。ハーシェル宇宙望遠鏡は、55ミクロンの中赤外線帯域から672ミクロンのサブミリ波帯域まで観測できる、これまでのところ唯一の望遠鏡です。このように波長の長い赤外線は星間ガスや塵を通過できるため、ハーシェル宇宙望遠鏡は塵に隠された神秘的な領域を観測することができます。

ハーシェル宇宙望遠鏡の主鏡

ハーシェル宇宙望遠鏡の主鏡はガラスではなく、シリコンカーバイドで作られています。直径3.5メートルのガラス鏡は大きな温度変化により明らかな変形を生じますが、炭化ケイ素は熱膨張係数が低く、熱伝導率が高く、硬度と剛性が高いため、直径3.5メートルの主鏡の製造に非常に適しています。

ハーシェル宇宙望遠鏡は、地球から150万キロ離れたラグランジュL2地点で運用されています。この時点で、太陽、地球、月という3大赤外線熱源から可能な限り遠ざかりながら、観測機能、電源供給、通信機能のメリットを最大限に引き出すことができます。ハーシェル宇宙望遠鏡は、初期宇宙における銀河の進化を調査し、星の形成と星間物質との相互作用を観測し、太陽系内の惑星、彗星、衛星の大気の化学を測定します。

ハーシェル宇宙望遠鏡によって撮影されたバラ星雲。青は 70 ミクロンの波長に相当し、緑は 160 ミクロンの波長に相当し、赤は 250 ミクロンの波長に相当します。

この赤外線望遠鏡のコア検出器にも液体ヘリウムによる冷却が必要です。望遠鏡の主要部品を-271℃以下に冷却するために、約320キログラムの液体ヘリウムを搭載しています。約4年間の通常運用の後、2013年4月29日に液体ヘリウムがなくなり、ミッションは終了しました。

ハーシェル宇宙望遠鏡は2011年8月に星間空間に酸素分子が存在することを発見し、同年10月にはハートレー第2彗星の重水素含有量を測定することで、地球上の水の大部分がもともと彗星の衝突によって生じた可能性があることを示しました。進化し続けるコンピュータ技術のおかげで、望遠鏡のデータ収集および保存機能が大幅に向上しました。 2013年に引退した後も、天文学者が処理するのを待つ膨大な量の科学データが残っていた。 2014年1月、ESAの天文学者はハーシェルのデータを使い、準惑星ケレスに水蒸気が存在することを初めて確認し、彗星、小惑星、準惑星の境界について天文学者が再考するきっかけとなった。天文学者たちがハーシェルが残した検出データの分析を完了したのは2017年になってからだった。

広域赤外線探査衛星（WISE）

ワイドフィールド赤外線サーベイエクスプローラー（WISE）は、2009年12月14日にNASAによって打ち上げられた小型の赤外線宇宙望遠鏡です。重量はわずか0.66トンで、直径0.4メートルの主鏡を備え、高度525キロメートルの太陽同期軌道で動作します。この衛星はミッションが異なるため、これまでの赤外線宇宙望遠鏡よりも小型です。 WISE は、3.3、4.7、12、23 ミクロンの波長で全天を迅速に撮影し、小惑星、彗星、そしていくつかの冷たく暗い星を探すことに重点を置きます。

WISE は小型かつ機敏で、11 秒ごとに画像を撮影できます。 2010年末までに150万枚の画像が撮影された。これらの画像に基づいて、天文学者は地球初のトロヤ群小惑星を含む太陽系内の33,500個の新しい小惑星と彗星を発見した。さらに、太陽系外で全く新しいタイプの褐色矮星を発見した。 10か月後、WISEは液体ヘリウムを使い果たし、休眠モードに入りました。

広視野赤外線計測検出器観測シミュレーション図

直接退役した他の衛星とは異なり、WISE は 2013 年に復活し、近地球物体広域赤外線サーベイ エクスプローラ (NEOWISE) と改名されました。近赤外線帯域で地球近傍小惑星や彗星の探索を続け、地球との衝突の危険性がある小惑星を探します。

広域赤外線探査機によって撮影されたサイディングスプリング彗星

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

NASAとESAの共同プロジェクトであるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、直径6.5メートルの巨大な主鏡を備えており、0.6～28.5ミクロンの近赤外線の受信に重点を置いている。 2021年12月25日に打ち上げられ、ハーシェル宇宙望遠鏡に代わるものとなり、世界最大の宇宙望遠鏡の記録を更新することになる。その技術は、現在人類が達成できる最高峰に達しています。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の巨大な主鏡

将来は有望だ

米国はまた、2027年に打ち上げ予定のナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡や、2035年に打ち上げ予定のオリジンズ宇宙望遠鏡など、複数の赤外線宇宙望遠鏡の中長期打ち上げ計画も立てている。ローマン宇宙望遠鏡には、直径2.4メートルの広視野主鏡が搭載されている。宇宙の膨張の歴史や宇宙の構造の変化を探り、宇宙における暗黒エネルギーの影響を正確に測定し、時空の曲率と一般相対性理論の整合性を検証します。 Origin 宇宙望遠鏡のデザインはさらに目を引くものです。直径8～15メートルの巨大な主鏡を搭載し、遠赤外線帯での観測能力が飛躍的に向上する。その角度分解能はハーシェルの10,000倍以上です。

ローマ宇宙望遠鏡のシミュレーション

オリジン宇宙望遠鏡のシミュレーション

宇宙赤外線望遠鏡の打ち上げの歴史を振り返ると、主鏡の直径はますます大きくなり、主鏡の材料はますます進歩し、冷却システムはますます強力になり、データ収集と通信機能はますます効率的になってきています。これにより、より細かい角度解像度が得られ、これまでにない詳細が明らかになります。

世界の主要な赤外線宇宙望遠鏡の主鏡サイズと温度の比較

人間の好奇心は素晴らしい。それは人類を宇宙の起源と生命の起源についての真実の探求へと導きます。これらすべてには、赤外線宇宙望遠鏡の技術的サポートが必要です。これらの冷たい望遠鏡を通してのみ、人間は「視界を遮る雲を恐れず」、世代を超えて湧き上がる情熱的な心に火をつけることができるのです。