非常に強力なウェッブ望遠鏡には、実は「暗い歴史」がある。

この 2 日間、天文学界では大きな嬉しい出来事がありました。ウェッブ望遠鏡で撮影された最初の一連の写真がついにオンラインで公開され、画面全体に広がったのです。これらの写真はどこにでもあるので、ここでは詳細には触れません。今日は、この超望遠鏡の暗い歴史に焦点を当てます。はい、これは鳩の王であり、金食い虫であるだけでなく、プロジェクトマネージャーを死ぬほど怖がらせる古典的な (あまりポジティブではない) 教材でもあります...

一緒に星空観察に行こうと誘ってくる友人がいるのを想像してみてください。しかし、今日は望遠鏡の準備ができていないと言い、明日は家で用事があると言い、明後日にはガソリンを入れるお金がないと言います...。他人を待たせたり、約束を破ったりするのが好きな人との友情は、とっくに失われているでしょう。しかし、天文学の世界には、14年以上も何度も何度も結果の発表を延期し、それでも人々に愛され、憎まれ、そして期待される伝説の人物がいる...

それは伝説的なジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）です。このプロジェクトが1996年に開始されたとき、目標は2007年に宇宙に打ち上げることだった。しかし、一連の遅延、追加資金、さらには中止寸前まで経験し、14年もの間引き延ばされた。どうやら本当に2021年12月22日に打ち上げられるようです（打ち上げが12月25日まで延期されたのも無理はありません）！

ウェッブ望遠鏡を検索すると、再び延期されたというニュースばかりが出てきます...

ウェッブ望遠鏡の驚くべき使命とは何でしょうか?なぜ彼らは人々を失望させ続けるのでしょうか?

宇宙の「赤ちゃんの写真」を撮りたいですか?まずはウェッブを空へ送る

ウェッブ望遠鏡は、アポロ月面着陸計画を率いたNASAの2代目長官ジェームズ・ウェッブにちなんで名付けられましたが、元の名前は「次世代宇宙望遠鏡」でした。ここでの「次世代」とはハッブル宇宙望遠鏡を指し、公式の位置付けはハッブルの後継機です。かつてはウェッブ望遠鏡と呼ばれていましたが、後に標準的な翻訳は「ウェッブ」になりました。

ウェッブ望遠鏡の主な役割は、ハッブル望遠鏡よりもさらに深く遠くまで宇宙を観測し、最初の世代の星や銀河が形成されたばかりの132億年前の宇宙の誕生当初の状態をたどることです。その観測結果は宇宙の初期の進化の歴史に関する重要なデータを提供するものとなるでしょう。

NASA のウェッブ望遠鏡の撮像原理の概略図

では、より深く、より遠くを見ることがなぜそれほど重要なのでしょうか?

光が伝わるには時間がかかるからです。例えば、あなたが今見ているのは、実は1ナノ秒前の携帯電話の画面であり、明るい月を見上げているとき、あなたが見ているのは1秒前の月であり、長安の春の空に昼間に輝く太陽光は、500秒前の太陽の表面から発生したものです。天体望遠鏡を設置すると、102か月前のシリウス、1,340年前のオリオン大星雲、250万年前のアンドロメダ銀河などが見えます。つまり、遠くを見れば見るほど、古い光景が見えるのです。

したがって、小宇宙の写真を撮るウェッブ望遠鏡の原理は非常に「シンプル」です。遠くを見るだけです。

しかし、宇宙は常に拡大し続けています。第一世代の星々から発せられた星の光は、最初は紫外線と可視光線だったが、数十億年後に地球に到達した時には、宇宙の膨張によってオレンジがかった赤色の光と赤外線に「引き伸ばされて」いた。近くで形成される新しい星を研究する場合、より長い波長とより強い回折能力を持つ赤外線が星雲の塵から出現してメッセージを送信することができます。そのため、Webb はこれらの赤外線を観測するのに適した 0.6 ～ 28 ミクロンの帯域で動作します。

上記の段落を理解していなくても問題ありません。比較写真を見ていただければ一目瞭然です。右の写真は干渉が弱まる赤外線帯域で観測しており、左の写真よりも明らかに多くの星が鮮明に見えます。

可視光帯域と赤外線帯域での観測結果の比較。赤外線は星雲を「透過」することができます。

地球上に望遠鏡を建てたらどうかと言う人もいるかもしれません。それを空に送るのになぜそんなに苦労するのでしょうか?

理由は 2 つあります。吸収と干渉です。

一方、地球の大気は赤外線を吸収するため、特定の帯域の赤外線はまったく入り込むことができません。時間と空間の果てからやってくる赤外線はすでに消滅しつつあり、大気圏を通った後は、その威力はさらに弱まります。一方、赤外線はどこにでも存在し、暖かい地球の大気自体が赤外線干渉の大きな発生源であるため、望遠鏡で赤外線帯域をうまく観測することができません。

そのため、宇宙の最深部からやってくる赤外線を地上で適切に研究することは不可能なのです。中国の「スカイアイ」FAST、超大型干渉波アレイVLA、建設中の欧州超大型望遠鏡E-ELTなど、地上に設置された最も強力な望遠鏡でさえ、この種の研究には適していません。

各波長における地球の大気の透過率。谷は光が吸収される場所です。

何をするか？大気圏を抜けて宇宙へ出ましょう。障害物から離れれば離れるほど良いのです!

では、おなじみのハッブル望遠鏡を例にとると、それは十分な距離なのでしょうか?それは不十分であるだけでなく、不適切でもあります。

ハッブル望遠鏡は高度540キロメートルで地球を周回しているが、この高度にはまだ薄い大気があり、赤外線の照射から逃れることはできない。昼間の領域に飛行する場合、太陽から顔を背けると、地球の明るい面を避けることができず、照明された望遠鏡自体も赤外線の干渉を引き起こす。幸いなことに、ハッブル望遠鏡は主に紫外線と可視光線の帯域で動作するため、あまり心配する必要はありません。

しかし、赤外線観測に重点を置くWebbは、そのような環境では動作できません。したがって、その最終的な位置は太陽地球ラグランジュ点 L2 となり、地球の軌道の外側に位置し、地球から 150 万キロメートル (地球と月の間の距離の 4 倍) 離れています。ここで、ウェッブ望遠鏡は地球と同じ時間に同じ周期で太陽の周りを周回することができます。

NASA によるウェッブ望遠鏡の軌道の概略図

ここには大気はなく、太陽、地球、月などの干渉源はすべて同じ方向にあります。この方向が遮られている限り、宇宙の奥深くから聞こえてくる最初の赤ちゃんの泣き声を邪魔されることなく聞くことができます。

L2 に浮かぶウェッブ望遠鏡のレンダリング。太陽、地球、月は常に同じ方向に遮られています。

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しかし、ウェッブ望遠鏡を宇宙に送り込んだとしても、望遠鏡自体の性能が十分でなければ役に立たない。ウェッブ望遠鏡には素晴らしいものがいっぱいですが、それは何でしょうか?

前述の光遮断の問題に引き続き、Webb 望遠鏡は L2 に固定されておらず、L2 の周りを円を描いて浮遊しています (下の図を参照)。

NASA によるウェッブ望遠鏡の軌道の概略図

あらゆる角度からの太陽光を遮断するために、ウェッブ望遠鏡には巨大な日よけが装備されています。長径21メートル、短径14メートルの大きなダイヤモンド凧のような形をしており、面積はテニスコート1面分に匹敵する。サンシェードは、アルミニウムコーティングされた（最初の 2 層はシリコンでドープされている）ポリイミドフィルムの 5 層で構成されており、各層はオフィス用テープほどの薄さで、互いに分離されています。

サンシェードの同じサイズのテストピースはNASAから提供されたものである

これは、多層フィルム間では熱は放射によってのみ伝達され、最終的には指数関数的に減少するためです。テストデータによると、サンシェードの太陽側が 300 キロワットの放射電力を受け取ると、影側の出力は 23 ミリワットしかありません。このような性能は、照射面の温度が摂氏85度に達したときに、影側の望遠鏡が摂氏マイナス233度以下で安定を保つことができることを保証するのに十分であり、「秘密裏に観測」して宇宙誕生の秘密を覗くことを可能にします。

本当の秘密の観察、左の写真はNASAから

観測点が選択され、太陽光が遮られます。信号干渉の問題は解決されましたが、まだ解決すべき大きな問題が残っています。

地球上の巨大な物体の直径が数百メートルになる場合など、観測波長が長くなるほど、必要な鏡も大きくなります。赤外線をより良く観測するために、ウェッブ望遠鏡にはハッブル望遠鏡よりも大きな鏡が必要です。

NASAのウェッブ望遠鏡とハッブル望遠鏡の主鏡サイズの比較

ハッブル望遠鏡の主鏡の直径は2.4メートルで、ヤオ・ミンよりも高い。一方、ウェッブ望遠鏡の主鏡の直径は6.5メートルで、2階建ての建物の高さほどである。この巨大な鏡の性能は非常に優れており、2ミクロンの赤外線帯域では、Webb の解像度は 0.1 秒角に達します。これは、80 キロメートル離れたピンポン玉を視認できるのと同等です。これにより、ウェッブはハッブルの観測限界の数十倍、人間の目の観測限界の100億倍も暗い天体を観測できるようになった。

NASA のウェッブとハッブルと一緒に写真を撮る人間 (ウェッブは左から 1 番目)

興味深いことに、ウェッブの大型鏡はハッブルの鏡の 6.25 倍の大きさですが、驚くほど軽量です (625 kg 対 1,000 kg)。ここでもまたハイテクが使われています。ハッブルの鏡板は密度が 1 立方センチメートルあたり 2.5 グラムのガラスでできていますが、ウェッブの鏡板はより軽量で薄く、密度が 1 立方センチメートルあたりわずか 1.85 グラムの金属ベリリウムでできています。したがって、単位面積あたりのミラープレートの質量はハッブルの 10% にすぎません。ベリリウムは軽くて十分に硬いだけでなく、望遠鏡が設置されている極寒の環境でもガラスよりも形状が安定しています。唯一の欠点は、色が灰色で反射率が低いことです。そこで、ベリリウムミラーを 0.1 ミクロンの厚さの金の層でコーティングしました。これで完璧です。

金メッキの鏡、NASA の「百聞は一見に如かず」

最後に、2階建ての高さの主鏡とテニスコートほどの大きさの日よけをどうやって宇宙に打ち上げるのでしょうか?

当然ながら、層ごとに折りたたんでロケットに詰め込み、宇宙空間で展開するしかありません。そのため、ウェッブの主鏡は一枚のベリリウム板ではなく、18 枚の正六角形の小さな鏡で構成されています。展開された主鏡を正確に焦点を合わせるために、各小鏡の微調整システムは 5 ナノメートルのステップ精度を必要とします。サンシェードを展開するのはより複雑な作業で、5 層のフィルムを広げ、平らにし、締め、分離するために約 7,000 個の部品を連携して動作させる必要があります。

Webb を折りたたんだ状態はこのようになります。 NASAより

私はハイテクで高価だからあなたを待たせるのです

ウェッブ望遠鏡の主な機能と全体的な設計について説明した後、この強力で複雑な望遠鏡がなぜ「ハトの王」になったのか説明できます。

他には何もありません。ただ「アイデアはしばらくは楽しいが、実行は火葬場だ」ということと、「初期予算が低いことを過小評価しないでください。交渉なしでは騙されるでしょう」ということです。

まず第一に、このアイデアはあまりにも先進的であり、非常に高度な技術を必要とします。

1996年にNASAがしぶしぶこのプロジェクトを開始したとき、そのような望遠鏡をどのように構築するかさえ明らかではありませんでした。材料科学、精密加工、自動制御、冷却技術など、関連する科学技術分野の多くがまだ十分に整備されていないためです。

例えば、前述のベリリウム主鏡は、2001年末にようやく予備的な研究・実証データを得たばかりで、数々の技術的困難により、ウェッブ望遠鏡の打ち上げが当初予定されていた2007年になってようやく、それに関連する10の主要な技術的ポイントのリスクがほぼ解消された。さらに、望遠鏡自体の製作に加え、このような大きなものを梱包してラグランジュ点 L2 に正確に届けること自体が、困難な技術的課題です。

NASA の Webb パッキング図

多数の技術的困難を克服するために長い時間を費やした結果、予算が爆発的に増加しました。

この望遠鏡の主要技術プログラムのレビューは 2010 年まで完了しませんでした。レビュー後、プロジェクト予算は当初の 5 億ドルから 65 億ドルに急騰しました。 2011年7月、米国議会は我慢できなくなり、資金援助を撤回すると脅した。幸いなことに、11月に議会は落ち着きを取り戻し、予算を88億ドルに増額した。これは原子力空母2隻を建造するのにほぼ十分な額だ。この嵐の後で初めて、プロジェクトは最終的な設計と製造の段階に到達しました。

その後は、設計、製造、テストという長いサイクルが続きます。時間がかかる理由は、望遠鏡が150万キロ離れたラグランジュ点に設置されているからです。一度故障が発生すると、修理のために人を派遣することは不可能である。これは、打ち上げ後に焦点が合わないことがわかった場合にスペースシャトルを呼んで「メガネを合わせる」ことができる近くのハッブル望遠鏡とは異なっている。そのため、ウェッブ望遠鏡は、間違いがないことを確認するために地上で繰り返しデバッグする必要がある。

すべてがうまくいけば、ウェッブはNASAからこのように展開するだろう

しかし、諺にあるように、夜が長ければ長いほど、より多くの問題を引き起こす可能性があります。長い時間が経つにつれ、予想外の出来事がたくさん起こりました。例えば、2018年の延期は、試験展示中にサンシェードが破れたため、2年間延期されました。その後、さまざまな不運が続きました。COVID-19パンデミック、ロケットの準備が整わない...ミラーをキャビンに取り付けようとしたときも、固定ストラップが誤ってほどけたため、さらに4日間遅れました...

最終的に、このプロジェクトの費用は約100億ドルになりました。予算が制御不能なため、他の多くの科学研究プロジェクトは資金を調達できず、実行できない状態になっています。業界はそれに対してかなりの憤りを抱いています。たとえば、ネイチャー誌はかつてウェッブ望遠鏡が「天文学を食い尽くしている」と批判したことがある。

「天文学を飲み込んだ望遠鏡」ネイチャー誌、2010年10月

しかし、何があっても、天文学はウェッブに食い尽くされたのだから、責任は天文学にあるはずだ！ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の幸運を祈りましょう！人類の最先端技術の結晶であるこの宇宙船が予定通り無事に打ち上げられ、ミッションが順調に進み、今後10年間で実りある成果が得られることを期待します！

さあ、ウェッブ！オリジナル画像：NASAより

番外編：100億かけて、今度は宇宙人を見つけられるのか？

おそらく、多くの友人が最も興味を持っている質問は、このような素晴らしい宇宙望遠鏡が人類が宇宙人を見つけるのに役立つかどうかです。

宇宙人を探すには、居住可能な太陽系外惑星を探すことから始めることができます。しかし、そのような惑星を見つけるのは別の宇宙望遠鏡TESSの専門分野であり、ウェッブ氏の主な仕事ではない。しかし、ウェッブは本当にこれを実行する能力があります!

より近い恒星の場合、ウェッブの超高解像度により、その周囲の大きな惑星や、集積されて形成されつつある惑星の高温の恒星胚を直接見ることができます。惑星が親星の前を通過する機会があれば、ウェッブ氏はそれが星のスペクトルにもたらす変化を分析し、その大気の組成を判定し、生命の手がかりを探すことができる。

ウェッブ望遠鏡は、太陽系の衛星、彗星、小惑星、準惑星、カイパーベルトなど、太陽系内の太陽系外惑星やさまざまな小天体を容易に観測し、太陽系の形成と進化の歴史をさらに研究することもできます。

ウェッブが第一世代の恒星の周りに惑星を発見するとは期待していない。周囲の小さな天体を見るには遠すぎます。さらに、「ビッグバン」理論のタイムラインによれば、第一世代の恒星には、固い地盤を持つ惑星を構築するのに十分な重元素がなかった。

つまり、ウェッブ望遠鏡は生命の痕跡を発見する能力を持っているとしか言えないが、本当に宇宙人の痕跡を発見できるかどうかは、おそらく運次第だろう。

著者 |人気科学ライターの屈炫氏は、国立博物館や国家宇宙局などで著作を発表している。

レビュー |劉曦、北京天文館研究員、科学映画監督、作家