天体望遠鏡が「安くて大きい」のはいつになるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 海の中の塩辛い魚 (中国科学院長春光学精密機械研究所光学修士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

宇宙を初めて見る

古代の人々は、新石器時代にはすでに、洞窟や石に月の満ち欠けや星座などの模様を描いていました。それ以来、人類は知識への旅の中で最も壮大で刺激的な部分、つまり宇宙の探査に乗り出しました。古代、天文学者は宇宙を肉眼で観察し、星をいくつかのグループに分け、それぞれに特定の名前を付けました。これが現在では星座として知られています。彼らはまた、星の明るさを測定するための等級システムも確立しました。人々はまた、太陽、月、星の位置と動きを観察して、空を二十四節気に分けて、農耕や生活の指針としました。

17 世紀初頭の望遠鏡の発明以降、人類の宇宙観測能力は大きく向上し、人類による地動説の受容も促進されました。 16 世紀の天文学者ブルーノは、地動説を支持したために死刑判決を受けました。もし望遠鏡がブルーノの存命中に発明されていたら、もっと多くの人が彼を支持していたかもしれない。

17世紀初頭の望遠鏡

(画像出典: Wikipedia)

宇宙観測をめぐる競争

望遠鏡の発明により、問題は 0 から 1 に解決され、次のステップはその性能を継続的に向上させることでした。望遠鏡の性能を評価するための重要な指標があります。それは口径です。口径は望遠鏡の主鏡の直径です。口径が大きいほど、望遠鏡はより多くの光を集めることができ、観測される天体はより明るく鮮明になります。

たとえば、星を肉眼で直接見ると、暗くぼやけて見える傾向があります。望遠鏡を使用すると、星がより明るくなり、細部がより鮮明になっていることがわかります。これは、望遠鏡の口径が人間の目の瞳孔の直径（暗い状況では、瞳孔の直径は約 8 mm）よりもはるかに大きく、肉眼よりも多くの光を集めることができるためです。

1671 年、ニュートンはレンズの代わりに鏡を使用してより鮮明な画像と広い視野を得る反射望遠鏡を発明しました。目指すべき方向性が定まり、誰もが大口径望遠鏡の追求へと突き進みました。ウィリアム・ハーシェル（1781年に望遠鏡を使って天王星を発見）は、1789年に直径1.26メートルの望遠鏡を製作しました。ジョージ・エラリー・ヘイルは、ジョン・フッカー、アンドリュー・カーネギーらの支援を受けて、直径2.5メートルのフッカー望遠鏡を建造しました。エドウィン・ハッブルはフッカー望遠鏡を使って宇宙を観測し、天の川銀河の外側にも銀河があり、宇宙は膨張しているという、科学界の宇宙観を変える2つの結論に達しました。

ウィリアム・ハーシェルの直径1.26メートルの望遠鏡

(画像出典: Wikipedia)

フッカー望遠鏡、直径2.54メートル

(画像出典: Wikipedia)

現代では、大口径の望遠鏡が雨後の筍のように出現している。 1948年に建設されたヘール望遠鏡の直径は5.08メートルです。 1993年に建設されたケックI望遠鏡の直径は10メートルです。 2007年に建設されたGTC望遠鏡は直径10.4メートルで、現在世界最大の光学望遠鏡です。

GTC 望遠鏡、直径 10 メートル

(写真提供: Flickr/ペドロ・ホセ・ルエンゴ・ラルミレス)

望遠鏡の強力な性能の裏には高コストがある

大口径望遠鏡は天文学の発展を促進し、宇宙に対する人類の理解を深めました。しかし、大口径望遠鏡には常にコストという問題が伴います。大型の望遠鏡を建造するのはあまりにも費用がかかりすぎる。ウィリアム・ハーシェルは王室の援助を受けて直径1.26メートルの望遠鏡を建造した。ハーシェルは完成までに5年かかり、予算を超過しました。

現代の大型望遠鏡のほとんどは、1 か国または複数の国からの資金提供によって建造されました。ケック1望遠鏡の建設費は約8億7000万ドルだったが、GTC望遠鏡の建設費は14億7000万ドルにも上った。これらの望遠鏡は基本的に専門的な天文学研究機関によって使用されます。ほとんどの人が利用できる天体望遠鏡は口径15cm～30cmの天体望遠鏡がほとんどで、価格は数千元～数万元の範囲です。しかし、口径50センチの天体望遠鏡の価格は40万元近くまで高騰している。

異なる口径の望遠鏡で観測された土星

(画像提供: NASA、ハッブルサイト)

上の写真に示すように、望遠鏡の口径が大きいほど、土星のより詳細な部分を観察できます。 10センチメートルの望遠鏡ではカッシーニの間隙（土星の環の隙間）を観測することはできませんが、20センチメートルの望遠鏡ではそれをはっきりと見分けることができます。 2.4メートルのハッブル望遠鏡は土星の環の詳細な分布を鮮明に捉えることができる。これは、空の他の領域を観察するときに、望遠鏡の口径が大きく、解像度が高いほど、より多くの星を観察できることを意味します。

薄膜望遠鏡は異なるアプローチを採用

きらめく星を自分の目で見るのは、スクリーンに映し出された銀河のどんな写真よりも素晴らしいです。大口径で手頃な価格の望遠鏡があるとすれば、それは膜望遠鏡に違いありません。名前が示すように、膜望遠鏡の鏡は金属やガラスではなく、反射フィルムで構成されています。薄膜を使って反射鏡を作るにはどうすればいいですか？簡単な実験で説明しましょう。ミネラルウォーターのボトルの平らな底を切り取り、ラップまたはその他の弾性フィルムで覆います。次に、ボトルの口に息を吹き込むか、吸い込みます。ここまでで、薄膜反射板を作る原理を習得できました。ボトルに息を吐いたり吸い込んだりすると、ミネラルウォーターボトルの内側と外側の圧力差により、ラップが凹面または凸面に曲がります。

空気圧を利用してフィルムの形状を制御するだけでなく、静電気を利用してフィルムの形状を制御することもできます。冬になると、人の手に静電気が発生し、髪の毛が逆立つことがあります。同様に、静電気を利用してフィルムを引き寄せることで、フィルムを必要な形状に変形させることもできます。

画像: 静電制御薄膜ミラー

（画像出典：参考資料2）

1960年代に、米国は直径30メートルの膨張式衛星エコー1号を打ち上げました。それはまるで大きな反射風船のようでした。これは薄膜反射鏡の最も初期の工学的応用でした。しかし、当時の技術的な制限により、この「大きな風船」の実際の表面形状は人々の期待に応えられませんでした。しかし、その存在は、その後の薄膜ミラーに関する一連の研究の基礎を築きました。数十年にわたる開発を経て、米国のボーイングやNASA、中国科学院長春光学精密機械研究所、東呉大学などの研究機関は、薄膜望遠鏡の加工・製造技術を習得した。薄膜ミラーを光学イメージングに使用できるようになりました。

薄膜望遠鏡で撮影した月の画像

（画像出典：参考文献3）

未来は明るいが、前途は困難だ

薄膜ミラーを使用して天体望遠鏡を作成する場合、主なコストは薄膜ミラー自体ではなく、フィルムの変形を制御するためのサポート機構になります。静電気や空気圧によってフィルムの変形を制御する機構は、フィルムが理想的な形状に曲がるように十分な精度が求められます。また、十分に速く反応する必要もあります。フレキシブルフィルム反射板は外界の影響を受けやすいです。空気の流れや温度の変化によってもフィルムの形状が変化することがあります。したがって、高感度かつ高精度な表面制御機構とそれをサポートする制御アルゴリズムが、フィルム反射鏡の性能を左右する鍵となります。

アルゴリズム自体は複雑ですが、それを複製して大規模に適用するコストは非常に低くなります。控えめな見積もりによると、口径約0.5メートルの薄膜反射望遠鏡のコストは約10,000人民元に抑えることができます。この価格は、多くの一般人が購入するのに十分であり、誰もが地球外の世界を垣間見る窓を提供します。

参考文献:

[1] Caicoya, P. & Barreto, M. & Fernández-Izquierdo, Patricia & Patron, Jesus & Sanchez de la Rosa, Vicente & Sangines, F.. (2014)。 20 年間で 1.5 メートルから 10.4 メートルへ: 地上望遠鏡用赤外線計測装置の開発におけるカナリア天体物理学研究所の技術的進化。天文計測ジャーナル。 03. 1450005.

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[5] 張英、金光。薄膜ミラーの静電形成機構に関する研究[J]光学と精密工学、2009年、17(2)。

[6] GTC望遠鏡公式サイト