液体望遠鏡を作るのに水銀を使う利点は何ですか?

天体望遠鏡は宇宙を観察するための人類の目です。今日私たちが知っている宇宙に関する情報のほとんどは天体望遠鏡から得られています。天体望遠鏡がなければ、現代の天文学は存在しなかったと言えるでしょう。有名な中国のスカイアイFAST、ハッブル宇宙望遠鏡、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などがその代表例です。これらには共通点が 1 つあります。それは、大きな鍋のように見えることです。

この大きなポットは、実は遠くの宇宙からできるだけ多くの微弱な信号を集めるために設計されているのです。ポットの直径は望遠鏡の口径と呼ばれます。口径が大きいほど、望遠鏡の信号収集能力が強くなり、検出距離が長くなり、画像が鮮明で明るくなります。したがって、断面にある大きなポットは、望遠鏡の最も重要なコンポーネントの 1 つであると言えます。

従来の望遠鏡の鏡は固体材料で作られています。 2022年末、ヒマラヤ山脈の南側で世界最古の液体鏡望遠鏡が開眼し、宇宙の観測を開始したというニュースがありました。この望遠鏡はなぜ液体を鏡として使うのでしょうか?液体鏡望遠鏡の利点と欠点は何ですか?液体鏡望遠鏡は、将来の宇宙探査において他にどのような重要な役割を果たすのでしょうか?

この望遠鏡の名前は国際液体鏡望遠鏡、略してILMTです。ベルギー、カナダ、インドなどの国々が共同で建設しました。ヒマラヤ山脈の南麓、標高2,450メートルに位置しています。これは口径4メートルの光学望遠鏡で、我が国が将来打ち上げる予定のハッブル宇宙望遠鏡や宇宙ステーションの調査望遠鏡よりも大きな口径を持っています。両方の望遠鏡の直径は2.4メートルです。この望遠鏡の口径は、わが国に現存する最大の民間光学望遠鏡である雲南省麗江天文台基地の2.4メートル望遠鏡と、国立天文台興隆基地の2.16メートル望遠鏡の口径をも上回っています。

北京天文台電波望遠鏡（写真はTuchong.comより）

望遠鏡の場合、口径が大きくなるほど加工・製造工程が複雑になり、コストも高くなります。一般的に、望遠鏡の口径が2倍になると、開発の難易度やコストは数倍、あるいは数十倍に増加する可能性があります。我が国には口径1メートルの光学望遠鏡が数十基あるのに、口径2メートルを超える民間の光学望遠鏡がほんの一握りしかないのも、このためです。

望遠鏡を開発する上での最大の難しさは、大きな鍋をどうやって作るかということです。光を集める役割を担う大きなポットには極めて高い処理要件があり、ミラー表面を可能な限り理想的な放物面構成に近づける必要があります。光学望遠鏡の鏡の表面精度は、少なくとも波長の 1/30、つまり約 20 ナノメートルでなければなりません。コンセプトは何ですか？例えば、直径4メートルの鏡を北京の大きさまで拡大したい場合、要件を満たすには地面の平坦度が1mm未満である必要があります。熱膨張や収縮、重力などの要因により、ミラーが変形することがあります。望遠鏡の口径が大きくなるほど、鏡の精度を維持することが難しくなります。そのため、望遠鏡のミラー加工に対する要求は非常に高くなります。理想的な断面を持つ光学ミラーを作成するには、製錬、鍛造、研削、研磨、コーティングなどの一連の非常に複雑なプロセスを経る必要があります。

液体ミラーの方がはるかに簡単です。コップの中の水を箸でかき混ぜると、コップの中央の水が周囲に流れていき、回転する絵を描く様子を想像してください。それは望遠鏡の大釜の断面と非常によく似ています。基本的な原理は、重力と遠心力の作用により回転する液体が自動的に理想的な放物線を形成するというものです。これは液体鏡望遠鏡の基本原理でもあります。水銀の円盤を回転させることにより、回転する液体の鏡面に光を集中させる理想的な断面を作り出すことができます。断面形状に近い容器を使用するようにしてください。このとき使用する液体の量は非常に少なく、その厚さは1mm未満です。

液体ミラーの最大の利点は、固体ミラーのように難しい加工プロセスを経る必要がないため、コストが非常に低いことです。理想的な放物線を形成するには、ディスク内の水銀を一定の速度で回転させるだけで済みます。 4メートルの国際液体鏡望遠鏡のコストはわずか200万ドルであるのに対し、同じベルギーの会社が同時期に建造した、それほど遠くない場所にある光学半径3.6メートルの望遠鏡のコストは約1,800万ドルで、そのコスト差はほぼ10倍である。

しかし、液体鏡望遠鏡は万能ではありません。理想的な放物線の形成は、重力と遠心力のバランスの結果です。したがって、液体鏡望遠鏡は任意の方向を向くことはできません。天頂の空のみ観測可能です。望遠鏡を動かしてあらゆる場所を見たい場合、液体鏡望遠鏡は適していないかもしれません。

将来、人類は南米に8メートルの望遠鏡のような、より大きな口径の液体光学鏡望遠鏡を建設する計画もある。科学者たちは、月面に直径100メートルの液体鏡光学望遠鏡を建設することさえ検討している。その時までに、ビッグバン以来形成された最も古い星々を観測できるようになり、人類が宇宙を探索するためのより明るい目が提供されるだろう。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 李明涛

レビュアー: 周 炳宏

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司