ウェッブ望遠鏡から送られてきた最初の写真がぼやけているのはなぜですか?

2021年12月25日に打ち上げられたウェッブ宇宙望遠鏡（本稿では「ウェッブ」と表記）は、約1か月の旅を経て今年1月24日に地球から150万キロ離れた第2ラグランジュ点に到達し、所定の軌道に入り、すぐに撮影した最初の写真を送信した。

NASA（アメリカ航空宇宙局の略称）が公開したこの写真は、ややぼやけた星の集まりに過ぎません。さらに、自分の自撮り写真も送り返してきたが、これもぼやけていた。 （上の写真をご覧ください。これは、Space-Time Communication によって 2 枚の写真が 1 枚に合成されたものです）

この写真を見てがっかりする友達もいるかもしれません。数十年の開発期間を経て、発売が何度も延期され、大々的に宣伝されてきた「ウェーバー」だが、これしかできないのだろうか？ 100億ドルの投資に価値はあるでしょうか?焦らないでください。この写真の由来を説明させてください。それからあなたの気持ちを表現してください。

この星の光の束は実はただの星です

ウェッブ氏が送信したこの星明かりの写真には、18 個の明るい点 (そのうち 2 個はくっついている可能性がある) が写っており、18 個の惑星のように見えるが、実際には 1 つの恒星である。この星はおおぐま座の約258光年離れたところにあり、HD 84406と名付けられています。

実はこれは「ウェーバー」がカメラをテストしている写真であり、このように見える写真は1枚だけではありません。 「ウェーバー」は起床後25時間働き、1,500枚以上の写真を撮影してこの1枚にまとめた。この星が最初の写真として選ばれた理由は、この星が見かけの等級が 6.9 と非常に明るいためです。ちょうど北斗七星のスプーン口の位置にあり、見かけの距離と平らなスプーン口との距離はスプーン口1つ分ほどです（上の写真参照）。

夜空で肉眼で見える星の明るさは、見かけの等級で測定されます。値が大きいほど暗くなり、値が小さいほど明るくなります。負の数もあり、値が負になるほど明るくなります。人間の目には、6 等級の最も暗い星しか見えず、6 等級以上の星は見えません。そのため、HD 84406 星は人間の目には見えませんが、ウェッブ望遠鏡にとっては簡単なことです。

しかし、ウェッブ望遠鏡はまだ「非点収差」があり、「視力」が矯正されていないため、基準となる星を見つける必要があります。この星は暗すぎても明るすぎてもいけません。 HD 84406と呼ばれるこの星の明るさはちょうど要件を満たしており、周囲の他の天体からの干渉はありません。 「乱視」を矯正するには最適の選択です。

「ウェーバー」が「非点収差」なのは、その主鏡が直径6.5メートル、面積25平方メートルの小さな六角形の鏡18枚で構成されているからです。このような大きな鏡を直接打ち上げることはできません。折りたたんでロケットに搭載し、宇宙に打ち上げられた後に展開する必要があります。

これにより、各ミラーの焦点距離がずれ、星が一点に焦点を合わせられなくなるため、再調整が必要になります。これらの小さな鏡は独立して回転することができ、髪の毛の約 1 万分の 1 に相当するナノメートルの精度で調整できます。しかし、調整には基準となる物体が必要なので、この HD 84406 という星を撮影する目的は、ミラーを調整するための基準となる物体として使うことです。

今回送られてきた18個の明るい点の写真は、「Webb」主鏡の各小鏡によって撮影されたものである。各レンズが星に当たる角度に基づいて、科学者と望遠鏡の自動較正装置はレンズを調整し、最終的に焦点を形成して「非点収差」を排除することができる。

この自撮り写真は、主鏡から8メートル伸びたブラケットに取り付けられた副鏡に取り付けられたカメラで撮影された。この自撮り写真には小さな鏡があり、その小さな鏡が特定の星に向いて光を反射しているため、まばゆい光を発しています。

この自撮り写真はウェーバーの自慢の写真ではありませんが、調整のための非常に重要な参考資料となります。調整が完了するまで、このような自撮り写真がさらに多く撮られる可能性があります。

ウェッブを開発し管理していた科学者たちは、一見取るに足らないこの 2 枚の写真が撮れたことに大喜びしました。なぜなら、これはウェッブが正確に所定の位置にいただけでなく、翼を広げて目も開いていることを象徴していたからです。調整が完了すると、その鋭い目は、人間には知られていない謎を人間に伝えるようになります。

ウェッブ望遠鏡はどれくらい強力ですか?

「ウェッブ」の正式名称はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で、NASAの2代目長官ジェイムズ・ウェッブにちなんで名付けられました。ジェームズは1961年2月14日から1968年10月7日までNASAに勤務し、特に1960年代のアポロ月面着陸計画において、米国、さらには人類の宇宙産業に多大な貢献をしました。

1992 年に亡くなったこの航空宇宙の先駆者を記念して、このトップクラスの宇宙望遠鏡は彼の名にちなんで命名されました。

「ウェッブ」は、30年間運用され、まもなく退役するハッブル宇宙望遠鏡（この記事では「ハッブル」と表記されることもあります）の後継機です。 「ハッブル」に次ぐ、さらに強力な宇宙望遠鏡です。口径は「ハッブル」の2.7倍、面積は「ハッブル」の5倍以上ですが、質量はわずか6.5トンで、「ハッブル」の11トンの半分以上です。

この望遠鏡の最大の特徴は赤外線帯域での観測が可能なことです。すべての天体が可視光を放射するわけではありませんが、赤外線は必ず放射します。少しの熱運動があれば、Webb によって観測されます。ほんのわずかな熱放射でも赤外線観測に深刻な影響を与えるため、望遠鏡は絶対零度（-273.15℃）に近い環境で動作する必要があります。

したがって、ウェッブ望遠鏡は冷たい空間で動作する必要があるだけでなく、その鏡も常に太陽から離れた方向を向くことになります。太陽熱放射を避けるために、「Webb」は地球の影に隠れるだけでなく、独自の厚い多層の「日よけ」も備えています。これはまるで巨大な開いた本のように、太陽と望遠鏡を遮り、「Webb」の主望遠鏡と副望遠鏡が冷たい暗闇に完全に浸った状態で作動することを可能にします。

さらに、独自の機器を冷却するために独自の液体ヘリウムを使用する必要があります。宇宙に放射することで、主鏡の温度を-223℃以下に、近赤外線装置を-233℃以下に、中間赤外線装置（MIRI）を-266℃以下に冷却することができます。

ウェッブが宇宙環境に打ち上げられた後、高速で移動する間に折りたたまれた鏡が徐々に展開されました。 2022年1月24日に第2ラグランジュ点目標軌道に到達した後、主要システムの冷却を開始しました。徐々に動作温度に近づいてきていますが、まだ若干のギャップがあります。

「ウェッブ」の開発と打ち上げは、これまでのどの宇宙船よりも慎重なものと言え、投資額も莫大だ。この宇宙望遠鏡はNASA、ESA、カナダ宇宙庁によって共同開発され、最終的に宇宙に打ち上げられるまでに25年もの綿密な研究開発を要しました。

「ウェッブ」は1996年に入札を通じて開発段階に入り、投資予算は10年以上の継続的な増加を経て、当初の5億ドルから2013年には88億ドルに増加しました。打ち上げ時期は当初2007年に予定されていたが、度重なる延期を経て、2021年末に無事宇宙への打ち上げに成功した。

最終的に、「ウェッブ」の総費用は100億ドルを超え、これはハッブル望遠鏡に費やされた約20億ドルの5倍に相当します。もちろん、ハッブル望遠鏡が打ち上げられた後、部品の交換や修理・メンテナンスを行うために5つの宇宙飛行士グループが宇宙に送られました。その後のメンテナンス費用を合わせると、総投資額は50億米ドルにも達した。しかし、「ウェーバー」と比べると、まだ矮小です。

ハッブルが良好な状態で維持管理されている理由は、高度わずか 575 キロメートルの地球低軌道で運用されているからです。ウェッブ望遠鏡は地球から150万キロ離れた第二ラグランジュ点で稼働しており、維持管理は基本的に不可能です。したがって、宇宙に打ち上げられたら、全力を尽くすしかありません。これは、ウェッブ望遠鏡の打ち上げが繰り返し延期され、継続的に改良されてきた主な理由でもあります。

ウェッブ望遠鏡の打ち上げには後戻りはできません。必ず成功させなければなりません。さもなければ 100 億ドルが無駄になり、バブルさえも残らないでしょう。 25年間の研究開発を経て、自信を持って打ち上げられるはずだが、それでも緊張はする。軌道変更の失敗や微小隕石の衝突など、ちょっとした事故が起きれば、これまでの努力はすべて無駄になってしまいます。

幸いなことに、すべてうまくいきました。そのため、撮影された写真は校正写真に過ぎなかったが、「ウェーバー」を開発・管理する科学者たちも大喜びだった。なぜなら、この写真は、人間から遠く離れた人類に大きな希望を抱く「ウェーバー」が、無事に定位置に戻り、「気分」も良くなり、目覚めて仕事の準備をしていることを象徴するものだったからだ。

ウェッブ望遠鏡にはどんな期待が寄せられているのでしょうか?

「ウェーバー」を通して人々が最も知りたいのは、万物の基礎である宇宙の起源であり、人類はどこから来てどこへ向かうのかという最も根源的な問いです。 「ウェーバー」は宇宙の究極の秘密を解き明かす人類の目となる可能性を秘めています。具体的には、ビッグバンの残存赤外線証拠を調査し、初期宇宙の状態を観測することが主な任務です。

この目標に基づき、ウェッブ望遠鏡は、太陽光から完全に遮断された暗く冷たい空間の深宇宙をスキャンして監視し、宇宙の誕生初期の手がかりを探すことに重点を置くことになります。一部の科学者は、「ウェーバー」の能力により、ビッグバン後の最初の光線を見ることが可能になると予測しています。

この光線は、ビッグバンから38万年後、電磁波がビッグバン初期の高温高密度状態から分離したときに発生しました。 30年前に打ち上げられたハッブル望遠鏡は、最も遠い銀河が地球から134億光年離れていることを発見しました。

もしウェッブ望遠鏡がこの光線を捉えることができれば、138億2000万光年離れた星の光を観測することになり、人類を宇宙全体のタイムトンネルへと導くことになるだろう。科学者たちは、ビッグバン後の最初の原子の形成過程、最初の星雲の出現、最初の銀河と最初の星の形成過程を覗き見ることができ、今日の宇宙の出現まで遡ることができるようになります。おそらく彼らは暗黒物質と暗黒エネルギーの謎も解くことができるだろう。

もちろん、ハッブル望遠鏡が発見できる銀河や天体などのさまざまな宇宙現象は、ウェッブ望遠鏡にとっても問題ありません。今後少なくとも10年間の運用期間中に、この探査機はさらなる宇宙の秘密を発見し、人類が宇宙と太陽系についてより深く理解できるようになるだろう。

今、「ウェーバー」は目覚めたばかりです。伸びてぼやけた目を開けています。集中して冷静になれば、きっと人類に次々と驚きや感動をもたらすだろう。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

Space-Time Communicationの著作権はオリジナルです。侵害や盗作は非倫理的な行為です。ご理解とご協力をお願いいたします。