ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が11周年を迎えました。なぜこんなに素晴らしいのでしょうか?

2022年12月14日、ネイチャー誌は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のプロジェクト科学者であるジェーン・リグビー氏を、ウェッブの運用成功の促進に尽力した功績により、2022年のトップ10人の一人に選出した。翌日、サイエンス誌はウェッブの成功した運用を2022年のトップ10の科学的ブレークスルーとして挙げました。打ち上げからわずか1年でウェッブはどのような重要な成果を達成し、ウェッブとそれを推進した科学者たちにそのような栄誉を与えたのでしょうか。なぜそんなに強力なのでしょうか?その成功から私たちは何を学ぶことができるでしょうか?この記事では、これらの質問に答えてみたいと思います。

著者 |王山琴

2022年12月14日、ネイチャー誌は2022年のパーソン・オブ・ザ・イヤー（ネイチャーの10人）を発表しました。 [1] リストのトップは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（以下、原文で直接引用しない限りウェッブと表記）の天体物理学者でありプロジェクト科学者であるジェーン・リグビーです。

ネイチャー誌はジェーン・リグビーを「スカイハンター」と呼び、「先駆的な天文学者」と呼んだ。彼女は「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の稼働に重要な役割を果たし、宇宙の研究に驚異的な新しい可能性をもたらした」として選ばれた[1]。

図: Nature's 10 ウェブサイトのスクリーンショット。画像出典: [1]

2022年12月15日、『サイエンス』誌は2022年の科学上のブレークスルーのトップ10を発表し、ウェッブの成功した作戦が1位にランクされました。 [2][注1] 当該ウェブページの上部には、ウェッブ主鏡の一部を写した芸術的な画像が掲載されている。

画像: 2022年の科学上のブレークスルートップ10を紹介するサイエンス誌のウェブページ上部のスクリーンショット。画像出典: [2]

ウェッブ氏とそれを推進した天文学者たちが受けた栄誉は、ウェッブ氏の偉大な成功の証です。では、ウェッブは打ち上げからわずか1年で、どのような重要な成果を達成し、ウェッブとそれを推進した科学者たちがこのような栄誉を受けたのでしょうか?なぜそんなに強力なのでしょうか?その成功から私たちは何を学ぶことができるでしょうか?

画像: ウェッブの芸術的構想。画像出典: [3]

ウェッブは何を達成したのでしょうか?

ウェッブは2021年12月25日の打ち上げ以来、丸1年間宇宙に滞在した。この1年間、地上の科学者らは約半年をかけて軌道転換、数百回に及ぶ運用とテストを実施した。その後、ウェッブは観測状態に入り、天文学者たちはウェッブが得た最初の観測データを画像に加工し、2022年7月11日と12日に公開した。

この一連の画像には、銀河団 SMACS J0723.3-7327 が位置する空の領域の長時間露光写真、太陽系外惑星 WASP-96b の親星である WASP-96 の光度曲線と透過スペクトル、南リング星雲の画像、5 つの銀河からなる「ステファンの五つ子」の画像、カリーナ星雲 (NGC 3324) の領域の画像が含まれています。この一連の結果は以前にも紹介したので、ここでは繰り返さないことにします。興味のある読者はクリックして「10億ドルの投資が報われる：ウェッブ宇宙望遠鏡からの最初の一連の写真はどれほど強力か？」をお読みください。》。

最初の一連の画像の品質と鮮明さは、一般の人々の審美的嗜好を満たすだけでなく、プロの天文学者の要求も満たし、ウェッブの優れた性能を証明しました。ウェッブはデビューと同時に絶頂期を迎えたと言える。このピークの後もウェッブは衰退することなく、さまざまな分野で新たなピークを登り続けました。

最初の一連の結果と、これまでに得られた新しい結果を分野別に簡単にまとめることができます。

「深宇宙」領域では、ウェッブは空のさまざまな領域を観測し、多くの高赤方偏移（遠方）銀河を撮影しました。そのうちのいくつかは、ハッブルがこれまで観測した最も遠い銀河の記録を破りました。これらの銀河の徹底的な研究は、初期宇宙の銀河の特性に関する人類の理解を直接的に深めることになるでしょう。この点におけるウェッブの成功により、ビッグバンから約1億～2億年後に形成された宇宙の第一世代の銀河と第一世代の星を発見することが可能であると人々は信じるようになった。

図: ウェッブがハッブル宇宙望遠鏡のウルトラディープフィールドプロジェクトで観測された領域を観測した後に得られた疑似カラー赤外線深場画像。ウェッブの近赤外線分光計 (NIRSpec) はこれらの銀河のいくつかのスペクトルを取得し、図にはそのうちの 4 つの赤方偏移 (13.20、12.63、11.58、10.38) が示されています。赤方偏移が 13.20 の場合、宇宙の年齢は 4 億年未満です。画像出典: [4]

銀河分野では、ウェッブ氏はステファン五つ子、カートホイール銀河、活動銀河 NGC 7469 などの銀河の画像を撮影しました。これらの銀河の観測と研究は、人々がこれらの銀河内の星、ガス、塵の分布を理解するための重要な基礎を提供します。

画像: NGC 7469 の Webb 近赤外線カメラのデータの擬似カラー合成画像には、顕著な回折光を伴う顕著な核が写っています。画像出典: [5]

星雲領域では、ウェッブは南環状星雲、カリーナ星雲、タランチュラ星雲、オリオン星雲、そして「創造の柱」の写真を撮影しました。これらの観測は、低質量および中質量の星の進化の後期段階、初期の星（「原始星」）の特性、それらの周囲の比較的冷たい塵とガスの円盤などのテーマに関する天文学者の詳細な研究に重要なサポートを提供します。

図: ウェッブの近赤外線カメラで取得したデータから合成した「創造の柱」の擬似カラー画像 (左) と、ウェッブの中赤外線機器で取得したデータから合成した「創造の柱」の擬似カラー画像 (右)。画像出典: [6]

太陽系の天体の分野では、ウェッブは木星、火星、海王星、タイタンなどの天体系を観測しました。 Webb が入手した画像は、この点における同社の能力が期待を上回ることを裏付けています。今後、ウェッブ氏による太陽系の天体の観測により、その性質や太陽系の起源についての人々の理解が深まるだろう。

画像: ウェッブの近赤外線カメラで取得したデータから合成した海王星系の疑似カラー画像。海王星のリング層と、14 個の衛星のうち 7 つ (トリトン、ガラテア、ナイアード、タラッサ、デスピナ、プロテウス、ラリサ) が示されています。トリトンは点状で比較的明るいため、回折効果によって生じる六角形の光線が非常に目立ちます。画像出典: [7]

太陽系外惑星の分野では、ウェッブ氏はトランジット法を用いて太陽系外惑星WASP-96bの親星であるWASP-96の光度曲線と透過スペクトルを撮影し、直接撮影法を用いて太陽系外惑星HIP 65426 bの画像を撮影した。分析によると、ウェッブの直接撮像による惑星検出能力は予想の10倍であることが判明した。ウェッブ望遠鏡は、このように太陽系外惑星の画像を撮影できる最初の望遠鏡でも唯一の望遠鏡でもありませんが、他の多くの望遠鏡にはない赤外線観測の独自の利点を持っています。ウェッブ氏による今後の太陽系外惑星の観測は、地球に似た太陽系外惑星の特定に役立つことが期待される。

図: ウェッブの近赤外線カメラ (NIRcam) と中間赤外線装置 (MIRI) によって 4 つのバンド (3.067 ミクロン、4.397 ミクロン、11.307 ミクロン、15.514 ミクロン) で撮影された太陽系外惑星 HIP 65426 b の画像 (下の小さな画像、左から右へ)。大きな画像は、デジタル・スカイ・サーベイ (DSS) によって撮影された、HIP 65426 星が位置する空の星々を示しています。画像出典: [8]

超新星分野では、ウェッブ望遠鏡は2022年に4つの超新星を発見しました。[注2] さまざまな大視野望遠鏡の間で激しい競争が繰り広げられている現在の状況では、視野が非常に狭いウェッブ望遠鏡では、他の望遠鏡に先を越される前に近くの超新星を発見する時間がありません。したがって、この望遠鏡で発見できるのは、非常に遠くにある超新星だけであり、それらの超新星は非常に暗いため、比較的口径の小さい他の望遠鏡では間に合うように検出することができません。ウェッブ氏は将来、さらに遠方の超新星を発見できるかもしれない。 [注3]

ウェッブはなぜそんなに強力なのでしょうか?

ウェッブの大きな成功は、主鏡と機器の高度な機能だけでなく、過去の多くの望遠鏡の開発過程で得られた肯定的な経験と否定的な教訓によるものです。

まず、ウェッブの主鏡と機器は非常に先進的です。その直径（6.5メートル）は、これまでのハッブル望遠鏡（2.4メートル）やスピッツァー赤外線宇宙望遠鏡（0.85メートル）よりもはるかに大きい。

図：上からスピッツァー、ハッブル、ウェッブの大きさを示しています。ウェッブの直径は6.6メートルと記載されていますが、同等の口径は6.5メートルです。画像出典: [9]

そのため、同じ赤外線帯域を観測する場合、ウェッブの解像度はハッブルやスピッツァーの解像度よりもはるかに高くなります。 Webb は口径が非常に大きいため、同じ対象を観測して同じ品質の画像を取得するのに必要な観測時間が大幅に短縮され、はるかに効率的です。

図: 左と右は、スピッツァー衛星の赤外線アレイカメラ (IRAC) とウェッブ衛星の中間赤外線観測装置 (MIRI) によって撮影された大マゼラン雲 (LMC) 銀河内の領域の画像です。両者はほぼ同じ波長（8.0ミクロン対7.7ミクロン）で観測を行っているが、ウェッブの画像の解像度は明らかにスピッツァーのものよりはるかに高い。画像出典: [10]

ウェッブは地球から遠く離れています。 5層の保護シールドを備え、赤外線装置には追加の冷蔵庫が搭載されています。したがって、観測可能な波長限界（28 ミクロン）は、ハッブルの観測可能な波長限界（2.5 ミクロン以下）よりもはるかに大きくなります。そのため、星雲の奥深くに隠れた原始星など、ハッブル望遠鏡では発見できない多くの天体を発見することができます。

図：ウェッブが撮影したカリーナ星雲の一部の近赤外線画像で、天文学者たちはハッブルなどの望遠鏡ではこれまで発見されていなかった20以上のジェットと流出を発見した。図中の丸で囲んだ部分を拡大して右側に配置します。これらの領域はすべて分子状水素の流出を示しており、領域 2 ではジェットとバウショックも示されています。画像出典: [11]

第二に、ウェッブ以前に、人類はガンマ線、X線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波など、電波帯域を除くすべての電磁波帯域をカバーする多数の宇宙望遠鏡を打ち上げていました。 [注4] 赤外線宇宙望遠鏡を例にとると、人類は早くも1983年に、人類史上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。これらの宇宙望遠鏡、特に赤外線宇宙望遠鏡の開発と打ち上げの間に蓄積された技術は、ウェッブ氏に多くの有益な経験をもたらしました。

写真：IRAS の芸術的構想。画像出典: [12]

技術の借用を例に挙げると、ウェッブの中赤外線装置 (MIRI) は、2002 年から 2008 年にかけてハッブルの NICMOS で使用されていた冷凍機モードを使用しています。ウェッブの鏡は反射率を高めるために薄い金の層でコーティングされており、これは以前に宇宙赤外線望遠鏡（IRTS）やあかり衛星で使用された方法である。ウェッブ氏は、硬度と温度適応性を高め、重量を軽減するために、鏡のブランクを鋳造する際にベリリウムを使用している。これは、以前スピッツァー望遠鏡で使用されていた解決策である。

ボールエアロスペースの主任光学テストエンジニアであるデイブチェイニー氏は、X 線テストと極低温テストを実行する前に、ウェッブの主鏡 6 個を検査しています。画像出典: [13]

ウェッブ氏は、宇宙望遠鏡から得られた上記のソリューションを活用するだけでなく、大型地上望遠鏡の多重ミラー接合技術も借用しました。この技術は地上の10メートル級光学望遠鏡では一般的に使用されているソリューションであり、6～8メートル級の一部の望遠鏡でもこのソリューションが使用されています。これは、将来の 30 ～ 40 メートル級の地上光学望遠鏡の主流ソリューションの 1 つでもあります。つまり、ウェッブは巨人の肩の上に立つ巨人であると言えるでしょう。

図: ウェッブの主鏡は 18 枚の正六角形の鏡で構成されています。各鏡の辺の長さは約0.75メートル、面積は約1.4平方メートルです。 18枚の鏡の総面積は25.4平方メートルで、これを接合すると等価直径約6.5メートルの鏡となる。画像出典: [14]

ウェッブがこれほど強力である3つ目の要因は、ウェッブが過去の教訓、特にハッブルの痛い教訓を十分に吸収していることです。技術者がハッブルの主鏡を研磨しているときにわずかなずれが生じ、鏡が光を正確に焦点合わせできなくなり、すべての計器に影響を及ぼした。これにより、ハッブルの修理にNASAは数億ドルを費やし、長期間にわたって機器スペースを犠牲にしただけでなく（光学補正装置COSTARの設置のため）、1990年から1993年までの3年間のハッブルの性能に大きな悪影響を及ぼしました。1993年末になってようやくNASAの宇宙飛行士がメンテナンス計画を実行し、ハッブルが名誉挽回を果たして伝説となることができました。

写真: 1993 年 12 月、NASA の宇宙飛行士ストーリー・マスグレイブとジェフリー・ホフマンが宇宙でハッブルを修理しました。画像出典: [15]

ハッブルが数年にわたって失敗していたため、ウェッブの研究開発チームは極めて慎重になった。ウェッブの打ち上げ日は何度も延期され、その予算は100億ドルにまで膨れ上がった。このような注意が必要なのは、ウェッブの軌道がハッブルの軌道の数千倍も高く、高度100万キロメートル以上に達し、月よりもはるかに遠いためだ。ウェッブに何か問題が起きたら、誰かを派遣して修理するのは不可能だ。ウェッブは打ち上げから稼働開始まで、地上技術者の遠隔操作の下で 344 の重要なステップを実行する必要があります。どのステップでも間違いがあれば、それは死を意味します。こうした慎重さと忍耐が、ウェッブがデビューしてすぐに頂点に到達するための最も強固な基盤を築いたのです。

Webb を強力にする 4 番目の要因は、エンジニアと科学者が多数の新しいテクノロジーを開発していることです。 Webb は、これまでのどの赤外線宇宙望遠鏡よりもはるかに複雑です。実際、これはすべての望遠鏡よりも複雑であり、人類がこれまでに作った最も複雑な装置の一つです。

画像: Webb の近赤外線カメラ (上) と中赤外線装置 (下)。画像出典: [16]

複雑さゆえに、これまでの技術を単純に組み合わせるだけでは目標を達成することは不可能であり、新しい技術を継続的に開発する必要があります。内部のすべての機器の設計と製造から、5層のサンシールドの設計、製造、折り畳みと展開、望遠鏡本体の折り畳みと展開、各ミラーの焦点合わせなど、これらのプロセスはすべて困難に満ちており、世界で最も優秀なエンジニアと科学者の多くの知恵と努力を費やしてきました。

写真: エンジニアと技術者がウェッブの 5 層サンシールドを検査しています。画像出典: [17]

ウェッブはどんな悟りを得たのでしょうか？

ウェッブの成功は、ウェッブ自身の成功であるだけでなく、他の宇宙望遠鏡プロジェクトに対する人々の信頼を大きく高めるものです。さらに重要なのは、その成功が私たちに多くの点で啓発を与えてくれるだろうということです。

ウェッブの成功は、まず、大きな成果を達成することを目指すすべての人々とチームに、十分な忍耐、配慮、知恵が大きな成果を達成するための基本的な要件であるという最も単純な真実を伝えています。これは Webb だけでなく、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) にも当てはまります。数世代にわたる物理学者と技術者が、重力波を検出する世界初の機器を開発するために懸命に取り組みました。

図 1: リビングストンとハンフォードにある LIGO の 2 つの施設の地上部分の外観。画像出典: [18]

ウェッブ氏の成功はビッグサイエンスの価値をさらに証明するものでもある。過去 100 年間で、観察や実験に関連する科学研究のコストはますます高くなり、それに取り組むチームもますます大規模になりました。研究室に数百人、あるいは数千人の人々が関わることは珍しくなく、科学はビッグサイエンスの時代へと移行しました。

科学技術における熾烈な競争の中で、各国は難しい選択に直面しています。リスクが低く安定したプロジェクトを選択するか、リスクが高くリターンも大きい大規模な科学プロジェクトを選択するかです。これは、科学技術分野における国の意思決定に課題を提起します。ウェッブの成功により、リスクはあるものの将来性のある大規模な科学プロジェクトに対する人々の信頼は高まった。

ウェッブの成功は、より野心的な目標に向けた基準も設定した。将来的には、より優れた乗り物を使って、より大きな赤外線宇宙望遠鏡や他の帯域を観測するための宇宙望遠鏡を打ち上げることができるようになるでしょう。

ウェッブ氏が今後10年間に得るデータによって、太陽系の天体や太陽系の形成メカニズムに関する人類の理解が一新され、太陽系外惑星や地球外生命、銀河、さまざまな天体の形成と爆発、そして宇宙そのものに対する人類の理解が深まることを期待しています。また、将来的にはウェッブよりも強力な望遠鏡が宇宙を旅し、人類の知識体系がさらに昇華されることを期待しています。

画像: 人類がウェッブを最後に見た時。画像出典: [19]

注記

[注1] サイエンス誌WeChat公式アカウントの中国語記事（
https://mp.weixin.qq.com/s/I6kBfXwS24dDSG3le65zWg) は Webb を「NASA の恒星レベルの新型宇宙望遠鏡」と呼んでいますが、これは厳密な表現ではありません。Webb はアメリカ航空宇宙局 (NASA) が単独で所有しているのではなく、NASA、欧州宇宙機関 (ESA)、カナダ宇宙機関 (CSA) が共同で投資して建造しているからです。

[注2] ウェッブは2022年6月22日に超新星AT2022owjを発見した。これはウェッブが発見した初めての超新星である。

[注3] 例えば、発見されたAT 2022qmmは発見当時は24.1等級であり、他のほとんどの望遠鏡で観測できる限界（通常は21等級より暗くはない）よりもはるかに暗いものでした。

[注4] 人類が宇宙に電波望遠鏡を打ち上げていない理由は、地上の電波望遠鏡のほとんどが基本的に大気の影響を受けず、非常に高い要求を満たす少数の電波望遠鏡は乾燥した高原砂漠地帯でも十分に機能するからです。さらに、電波望遠鏡では光学望遠鏡と同じ解像度を達成するにははるかに大きな口径が必要ですが、昔も今も、数十メートルの口径を持つ電波望遠鏡を宇宙に打ち上げることは非現実的です。

参考文献/画像ソース

[1]https://www.nature.com/immersive/d41586-022-04185-3/index.html

[2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough

[3] ノースロップ・グラマン

[4]画像: NASA、ESA、CSA、M. Zamani (ESA/Webb)、Leah Hustak (STScI)、科学: Brant Robertson (UC Santa Cruz)、S. Tacchella (ケンブリッジ)、E. Curtis-Lake (UOH)、S. Carniani (Scuola Normale Superiore)、JADES コラボレーション

[5] ESA/ウェッブ、NASA & CSA、L. アームス、AS エヴァンス

[6]科学: NASA、ESA、CSA、STScI、画像処理: Joseph DePasquale (STScI)、Anton M. Koekemoer (STScI)、Alyssa Pagan (STScI) (左)。科学: NASA、ESA、CSA、STScI、画像処理: Joseph DePasquale (STScI)、Alyssa Pagan (STScI) (右)

[7]画像: NASA、ESA、CSA、STScI、画像処理: Joseph DePasquale (STScI)、Naomi Rowe-Gurney (NASA-GSFC)

[8]DSS; NASA/ESA/CSA、A. Carter (UCSC)、ERS 1386 チーム、A. Pagan (STScI)

[9] 画像: STScI、3Dモデル: NASA、ESA、STScI

[10]NASA/JPL-Caltech（左）、NASA/ESA/CSA/STScI（右）

[11]NASA、ESA、CSA、STScI、科学: Megan Reiter (ライス大学)、画像処理: Joseph DePasquale (STScI)、Anton M. Koekemoer (STScI)。

[12] NASA/JPL

[13]NASA/MSFC/デビッド・ヒギンボザム

[14] 米航空宇宙局（NASA）

[15] 米航空宇宙局（NASA）

[16]ロッキード・マーティン（上）科学技術施設協議会（下）

[17] ノースロップ・グラマン・エアロスペース・システムズ

[18]https://www.ligo.caltech.edu/LA