ユークリッド宇宙望遠鏡が暗黒の探査に着手

7月1日、ESAのユークリッド宇宙望遠鏡がファルコン9ロケットに搭載されて宇宙に打ち上げられました。古代ギリシャ幾何学の父にちなんで名付けられたこの望遠鏡は、深宇宙の暗黒物質と暗黒エネルギーを探査するという少なくとも6年間のミッションを開始する。では、なぜ「ユークリッド」は「闇」を探しに宇宙へ向かったのでしょうか?タスクを完了するのに役立つ特別なスキルは何ですか?これを実現するために、どのような課題を克服する必要がありますか?

「暗黒」宇宙の秘密を絶え間なく明らかにする

ユークリッド宇宙望遠鏡は、ESAのコズミック・ビジョン計画における中レベルのミッションであり、10億以上の銀河の形状を測定し、数千万の銀河の正確な赤方偏移を追跡することを計画している。この野心的な目標を達成するために、ユークリッド宇宙望遠鏡の調査範囲は天球の 35% 以上をカバーすることになります。

今後、収集されたデータは、過去100億年間の宇宙の膨張過程と構造の進化を、これまでにない精度で解明するために使用される予定です。比喩的に言えば、これは天文学者が宇宙の幾何学を地図に描くのに役立つので、幾何学を創始した古代ギリシャの数学者アレクサンダー・ユークリッドにちなんで宇宙望遠鏡に名前を付けるのは適切です。

では、宇宙の形を描くことと「闇」を探すことの間にはどのような関係があるのでしょうか？欧州宇宙機関（ESA）のプランク宇宙望遠鏡は、2009年から2013年の間に宇宙マイクロ波背景放射の地図を作成したことが判明した。2013年3月に最初の全天地図が公開されたとき、天文学者たちは興奮してそれを「ほぼ完璧な宇宙」と呼んだ。その後の研究により、宇宙は4.9%の通常物質、26.8%の暗黒物質、68.3%の暗黒エネルギーで構成されていることが明らかになりました。

プランク宇宙望遠鏡の成功により、研究者たちは「暗黒物質と暗黒エネルギーとは何か？」という疑問に答えようとしています。

多くの仮説があるにもかかわらず、科学者はまだ実験室で暗黒物質を検出することができず、暗黒エネルギーの性質についても納得のいく説明をすることができていない。どちらも宇宙における未知の物理現象を指し示していると言えます。特に、暗黒物質は素粒子物理学の標準モデルでは説明できず、暗黒エネルギーは量子論と矛盾しているように思われ、「暗黒物質と暗黒エネルギーは誤った命題である」という見解もあるほどです。こうして、ユークリッド宇宙望遠鏡はその場所を見つけました。

科学者たちはユークリッド宇宙望遠鏡は「十分ではない」とさえ懸念しており、NASAは2027年にナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡を打ち上げる予定だ。「ハッブル宇宙望遠鏡の母」にちなんで名付けられたこの検出器は、宇宙の歴史を通じて銀河の形状と赤方偏移をより狭い範囲で測定し、宇宙の超新星現象を探すことを目指している。その時までに、より高い角度解像度とより広い波長範囲により、正確なデータが得られるようになり、科学者が宇宙規模で一般相対性理論と暗黒エネルギーの性質をさらに研究するのに役立つだろう。

ユークリッドとローマンのミッションは補完的であり、重複した観測によって互いの系統的誤差を検証できるとも言え、これは高精度観測宇宙論における不確実性の主な原因でもある。二人が協力することで、宇宙の謎に対する理解が深まることが期待されている。

高度な技術が暗闇の発見に役立つ

ユークリッド宇宙望遠鏡の打ち上げ質量は約2.1トン、高さは約4.5メートル、直径は3.1メートルです。これは 2 つの主要コンポーネントで構成されています。1 つ目は、望遠鏡、機器の焦点面アセンブリ、およびいくつかのデータ処理電子機器を含むペイロード モジュールです。 2つ目はサービスモジュールで、電力分配、姿勢制御、推進、遠隔制御、遠隔測定、データ処理システムが含まれています。

ペイロードモジュールの中核は、1.25度×0.727度の視野を提供できる軸上3面鏡冷却望遠鏡であり、観測効果を高めるための熱制御システムと微細誘導センサーを備えています。主鏡には開口絞りがあり、入射瞳径は1.2メートル、焦点距離は24.5メートルです。

内部背景を黄道空の背景よりもはるかに低くする必要があるなどの科学的研究の要件を満たすために、宇宙望遠鏡はより低い温度で動作する必要があります。レンズと支持構造は、約マイナス 33 度の耐寒限界を備えた超安定シリコンカーバイドで作られています。

可視光機器は、弱いレンズ効果を受けた銀河の高品質の画像とスクリーンを提供することができます。これは 12 ミクロン ピクセルの CCD マトリックスで構成され、ユークリッド ミッションに特化して最適化されています。 550～900ナノメートルの波長範囲をカバーする広帯域フィルターを搭載しており、平均画像解像度は約0.23秒角です。

近赤外線分光計と光度計は、ピクセル幅が 0.3 秒角ほどの小さな画像測定と赤方偏移情報の観測に使用されます。このうち、測光チャネルには、それぞれ900～1192ナノメートル、1192～1544ナノメートル、1544～2000ナノメートルの3つの波長範囲をカバーする3つの広帯域フィルターが装備されます。スペクトル チャネルには、3 つの「赤」プリズムと 1 つの「青」プリズムの計 4 種類の低解像度近赤外線プリズムが装備され、「シームレスな」スペクトル撮影が可能になります。

サービスモジュールには、テレメトリ、電力、熱制御、姿勢および軌道制御など、ペイロードを操作するために必要なサブシステムのほとんどが搭載されています。このモジュールは、X バンドおよび K バンドの通信を提供します。毎日 4 時間の長距離コマンドおよび通信期間中、K バンド科学データ伝送速度は約 55 メガビット/秒です。観測によって蓄積された膨大なデータを保存するために、ユークリッドには少なくとも2.6TBの大容量メモリが搭載されています。高精度な画像撮影の要件を満たすため、「ユークリッド」は、視覚露出ごとに分散が 35 ミリ秒未満という極めて安定した指向性を備えています。

ユークリッド宇宙望遠鏡は、地球から約150万キロ離れた太陽地球ラグランジュL2点に向けて飛行しており、打ち上げ後約1か月でこの点の周りの大振幅軌道に入る予定です。ユークリッドに最適な動作条件、無害な放射線環境、非常に安定した観測条件を提供できます。このため、ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などは、すべて同様の軌道で運用されています。

将来、ユークリッドは「段階的凝視」モードで深宇宙を観測します。つまり、主鏡が特定の方向を指し、その方向の周囲約 0.5 平方度の領域で画像化とスペクトル測定を実行します。 6年間のミッション期間中、その観測範囲は徐々に天の川銀河の宇宙空間15,000平方度をカバーすることになる。

ユークリッドは、サンプリングを改善し、検出器のギャップを埋め、視野を完全にカバーするために、必要に応じてディザリングを行いながら、黄道経度の一定の大円経路に沿って毎日隣接領域を観測します。機器の視野の形状と幅、および視野あたりの積分時間と露出時間に応じて、評価調査中に 1 日あたり 15 ～ 20 度の領域をカバーできます。必要に応じて、深度測量や深度調査などのモードを採用し、さまざまな範囲をカバーし、異なる大きさの天体を検出できます。

「タイガー」が危機打開の力を発揮

ユークリッド宇宙望遠鏡ミッションは2012年6月にESAの科学プログラム委員会によって選定されたが、その実施は順調ではなく、2021年5月下旬に最大の危機が発生した。

当時、ペイロードモジュールはベルギーのリエージュ宇宙センターの屋内で「低温真空」環境テストを開始した。日常的な環境テストでは、近赤外線分光計と光度計は非常に良好なパフォーマンスを示しました。しかし、「冷真空」環境試験中に、関連機器が最初の収集が完了した後、2回目の収集を時間内に開始できなかったことが判明しました。これは高級デジタルカメラを使用するのと同等です。美しい写真を撮った後、もう一枚撮りたいのですが、カメラのシャッターが反応しなくなってしまいました。問題は、ユークリッド宇宙望遠鏡は毎日 850GB のデータを送信するように設計されており、明らかに「写真を撮ってカメラを再起動する」ことができないことです。

しばらくの間、問題を特定できませんでした。おそらく、データ伝送における信号ノイズ、他の場所からの電磁干渉、あるいは不適切なケーブル接地などが原因だったのでしょう。問題の根本原因を突き止めるため、科学者らは2度目の「コールドバキューム」テストを実施したが、これにより研究スケジュールが数か月延長され、当初の打ち上げ計画が遅れた。

この危機を解決するために、ESA と関連する業界の専門家が「タイガー チーム」を結成し、慎重な調査の結果、問題は物理的な問題ではなくソフトウェア エラーであることが特定されました。ケーブル構成が前回のテストからわずかに変更されたため、センサーからコンピューター インターフェイスへの信号伝送時間が変わりました。ソフトウェアは、時刻の変更は機器のセンサーのテレメトリとリモート コントロール インターフェイスの「障害」によるものだと誤って判断し、機器をシャットダウンしました。さらに、低温によって数十億分の一秒の遅延も発生します。最終的に、研究者たちはソフトウェアパッチで問題を解決しました。

「Tiger Team」の専門家は、学んだ教訓を総括して、このような複雑なソフトウェアを扱う際には、ハードウェアとソフトウェアのインターフェース領域に注意を払い、協調的な統一性を実現することが必要であると考えています。異なる企業やエンジニアの作業により誤解や問題が容易に発生する可能性があり、プロジェクトの調整と管理に対する要求が高まります。

研究者たちの卓越性の追求により、強力なペイロードモジュールと正確な軌道計算が生み出され、それはユークリッド宇宙望遠鏡による、100億光年離れた空の3分の1以上に及ぶ数十億の銀河の撮影の試みを支えることになるだろう。これにより、天文学者は宇宙の膨張の歴史や宇宙構造の成長率を測定し、さらに暗黒物質と暗黒エネルギーの詳細な特性を明らかにし、宇宙規模で一般相対性理論を検証できるようになると期待されています。

さらに、「ユークリッド」は宇宙の構造の解析やニュートリノの質量の導出など、宇宙に関する他の研究も行い、宇宙をさらに探究したいという人類の好奇心を満たします。 （著者：梁磊、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）