数百億ドルの費用と25年の歳月をかけて建設されたウェッブ宇宙望遠鏡がついに打ち上げられました！ハッブルとどう違うのでしょうか？

「ウェッブ」宇宙望遠鏡がついに打ち上げられました！費用は数百億ドルで、14年前に宇宙に打ち上げられる予定だった。なぜそんなに時間がかかったのですか?ハッブルとどう違うのでしょうか？

2021年12月25日北京時間20時20分、数年の遅延を経て、ハッブル宇宙望遠鏡の「後継」であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がフランス領ギアナのクールー宇宙センターから打ち上げられた。

ウェッブ宇宙望遠鏡は約100億ドルの費用がかかり、ハッブル宇宙望遠鏡の6倍の大きさで、135億年前の宇宙を観測すると予想されている。

▲ウェッブ望遠鏡の統合科学機器モジュールの機器の図と、打ち上げと運用プロセスの関連展示（写真提供：北京科学技術ニュース）

鏡を磨き続けて25年

▲地球（青点）・太陽（黄点）二体系の5つのラグランジュ点（緑点）

NASA が 1996 年にこの新しい宇宙望遠鏡の建設計画を検討し始めてから 25 年が経ちました。NASA の歴史上最も複雑なプロジェクトの一つであるウェッブ望遠鏡には、多大なリスクが伴います。 「ウェッブ宇宙望遠鏡」は、地球から150万キロメートル離れた太陽地球間の第二ラグランジュ点に設置される予定だ（地球と月の平均距離は38万キロメートル）。修理やメンテナンスのために宇宙飛行士を送るには地球から遠すぎるため、設計と製造は完璧でなければならず、そうでなければ故障してしまいます。したがって、テスト中に未知の問題が発見されると、発売が遅れることになります。

光学部品の「三位一体」

ウェッブ望遠鏡の光学系コンポーネントは最も重要なペイロードです。これらは、等価口径が大きく、表面反射率が高く、極寒環境にも強く、焦点精度も良好という特徴があり、技術的、工学的な革新を示しています。光学系アセンブリは、主鏡（プライマリ）、副鏡（セカンダリ）、および 3 番目の鏡（光学サブシステム）を含む「3 鏡システム」です。完成した光学系アセンブリは電波望遠鏡のようなものです。

▲光学部品の動作原理

主鏡は最も大きく重いため、大きな支持構造を必要とします。単一の鏡面を研磨することは困難であり、既存の打ち上げロケットのフェアリングに収容することができません。そのため、主鏡は18個の独立した六角形レンズで構成されています。六角形のレンズは簡単にシームレスに接合して、ほぼ円形の主鏡を形成できます。各レンズの等価直径は1.32メートルです。接合後、主鏡の総研磨面積は26.3平方メートルに達します。副鏡や支柱などの遮蔽部分を除いた有効集光面積は25.4平方メートルとなり、ハッブル望遠鏡の主鏡を大きく上回る。

主鏡の各レンズが正確に焦点を合わせられるように、加工時に極めて高い精度を維持するほか、各レンズの背面に6つのマイクロドライブモーターを搭載し、主鏡の中央にも曲率を調整するためのモーターを搭載しています。メインミラーのレンズを揃えて1枚の大きなミラーを形成するために、各レンズは髪の毛の1万分の1の太さに揃えられています。他の機器の調整動作も含め、望遠鏡全体には合計 132 個のマイクロモーターが搭載されています。

▲レンズの背面構造

複数の工程を経て、ベリリウムレンズの最終的な質量は20キログラムとなり、単位面積あたりの質量はハッブル望遠鏡の主鏡のわずか10分の1になります。モーターなどの部品を含めたレンズの総質量はわずか40kg、メインミラーの総質量は約720kgです。

三次ミラーは、主ミラーの中央の突き出た黒いノーズコーン内に配置された微調整可能なバックミラーで、後部光学サブシステムとも呼ばれます。主鏡で捉えた光は副鏡で反射して集光され、副鏡は3段目の後部鏡に光を反射し、さらに微調整可能な後部鏡に光を反射して、最終的に主鏡の後ろに配置された科学機器に焦点を合わせます。このエリアには星光分析装置やカメラが装備されており、望遠鏡の視野が非常に広くなります。

ハッブル望遠鏡の後継機として、ハッブル望遠鏡をベースに赤外線解像度と感度を向上させ、より広い赤外線スペクトルとハッブル望遠鏡の100倍の観測能力を備えています。これは天文観測にとって大きな進歩です。

よりパワフルに、より「クール」に

▲左：「ウェッブ」望遠鏡 右：「ハッブル」望遠鏡 （出典：百度百科事典）

ハッブル宇宙望遠鏡と比較すると、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は見た目がハッブル望遠鏡とほぼ完全に異なります。ウェッブ望遠鏡にはチューブがありません。望遠鏡のチューブは主に迷光が撮影や観察に影響するのを防ぐために使用されます。望遠鏡が大きくなればなるほど、必要なチューブも大きく重くなります。ウェッブ望遠鏡は望遠鏡筒をなくし、打ち上げ時の重量を大幅に軽減しましたが、迷光の影響を遮断するために巨大なサンシェードを装備しています。

▲ウェッブ望遠鏡の鏡。 （写真出典：インターネット）

▲ノースロップ・グラマン・グループの工場では5層パラソルが配備されている。特筆すべきは、2018 年 3 月にテスト中にパラソルの層が破損し、これが直接の原因となって進捗が少なくとも 6 か月遅れたことです。 （写真出典：インターネット）

サンシェードを使用することで、ウェッブ望遠鏡を極低温まで下げることができます。ハッブル望遠鏡は通常、摂氏15度の温度で動作し、可視光と近紫外線のみを観測します。しかし、ウェッブ望遠鏡は望遠鏡自体の温度を摂氏マイナス223度以下に下げるように設計されています。温度が摂氏マイナス223度を超えると、その赤外線放射によって宇宙の奥深くから届く微弱な光量子が隠されてしまいます。ウェッブ望遠鏡は近赤外線を観測するために、テニスコートほどの大きさのパラソルを5層装備しています。サンシールドの最初の層は太陽に直接向いており、厚さはわずか 0.05 mm です。残りの 4 つの層は 0.025 mm で、5 番目の層は主に欠陥や微小隕石の衝突などを防ぐために使用されます。

面積と形状の点では、第 1 層は面積が最も大きく、比較的平坦です。 5 番目の層は面積が最も小さく、曲率が最大です。層間の隙間により追加の断熱性が確保され、中央の隙間が最も小さく、端の隙間が最も大きくなっており、熱が中央から外側に導かれ、最終的に空間に放散されます。サンシェードの各層には約 100 ナノメートルのアルミニウムがコーティングされており、反射率の高いアルミニウム表面が残りのエネルギーをサンシェードの端の隙間から反射します。

太陽に面した最も高温の 2 つの層 (第 1 層と第 2 層) にも、約 50 ナノメートルの厚さのシリコン コーティングが施されており、熱を宇宙空間に反射して、宇宙環境での光学性能と耐用年数を向上させます。サンシールドは余分な光と熱を反射することができるため、低エネルギー惑星や塵の円盤など、これまで観測できなかった天体を観測することができます。しかし、現在のロケット打ち上げ技術では、ウェッブ望遠鏡を打ち上げる際に完全に展開することはまだ現実的ではありません。したがって、ウェッブ望遠鏡のサンシェードとレンズは打ち上げ時に折りたたまれ、打ち上げ後に規定の手順に従って展開されます。

「4つの主要コンポーネント」がスムーズな操作を実現します

統合科学機器モジュールは、ウェッブ望遠鏡に電力、コンピューティング リソース、冷却機能、構造的安定性を提供する全体です。これは結合されたグラファイトエポキシ複合材料で作られており、ウェッブ望遠鏡構造の底部に取り付けられています。 4つの科学機器と誘導カメラを搭載しています。

▲統合科学機器モジュール

近赤外線カメラは、可視光線の端（0.6 ミクロン）から近赤外線（5 ミクロン）帯までのスペクトル範囲をカバーする赤外線イメージング装置です。これまでで最も遠い天体を観測し、最初の星や銀河の光を検出し、望遠鏡の視野の調整を支援することができます。

近赤外線分光計は、対応する波長範囲でスペクトル分析も実行します。天体の温度、質量、化学組成を検出し、同時に200個の天体のスペクトルをキャプチャしてスペクトルマッピングを行うことができます。

中赤外線計測器は、5～27ミクロンの中赤外線および遠赤外線帯域を測定するために使用され、中赤外線カメラとイメージング分光計が含まれています。中赤外線は、遠く離れた冷たい天体を観測するために使用されるもので、星が形成される冷たい塵を透過し、巨大な星やブラックホールが周囲の空間に与える影響を明らかにすることができます。

科学観測中に望遠鏡の視線を安定させるために使用される精密誘導センサー、近赤外線イメージング装置、シームレス分光計は、目的がまったく異なる 2 つの機器であり、物理的に一緒に設置されているため、1 つのアセンブリまたはユニットと呼ばれています。

天体の温度、質量、化学組成を検出し、太陽系外惑星の大気組成を分析し、高精度のターゲティングを行うことができます。近赤外線分光計と中赤外線計器は、星の光を遮断するコロナグラフを使用しており、明るい星に非常に近い太陽系外惑星や恒星周円盤などの暗い対象を観測するためにも使用できます。

暗黒物質はもはや「隠れ」ていないかもしれない

(画像出典:百度百科事典)

ウェッブ望遠鏡は暗黒物質の謎を解くのに役立つかもしれない。暗黒物質は、既知の宇宙の物質の大部分を占める謎の目に見えない物質であり、その質量は目に見える物質の最大 6 倍に上ります。これまでのところ、暗黒物質は直接検出されていません。ウェッブ望遠鏡は暗黒物質を直接「見る」ことはできないが、科学者たちは、遠方の銀河の写真を撮る際にウェッブ望遠鏡がこれらの質量を見つけ、暗黒物質である可能性のある「失われた」または観測できない質量があるかどうかを判断できると考えている。ウェッブ望遠鏡は、画像解像度が非常に高く、ごく小さな乱れでも検出できるため、このような種類の測定を行うのに特に適しています。さらに、ウェッブ望遠鏡は、これまでの観測範囲をはるかに超えて宇宙の奥深くまで、つまりさらに過去の時間まで観測できるように設計されています。こうした深宇宙の観測は、初期宇宙や銀河、そして暗黒物質の進化の研究において重要な役割を果たすでしょう。

立ち上げのプロセスは紆余曲折を経たものの、多くの関係者の努力により、ついに正式な立ち上げが実現しました。ウェッブ望遠鏡の打ち上げと運用が成功すれば、人類の宇宙研究と観測に大きく役立つことが期待されます。ウェッブの宇宙の旅にも期待しましょう！

ニューメディア編集者ドゥアン・ダウェイが編集

（中国科学院地質物理研究所、科技日報、科技報、新浪科技から編集した内容）

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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