「展覧会を見る」ために何百光年も離れた宇宙へ行く？この天体望遠鏡は星の「ゆりかご」の絵を描きます！

近年では、「優雅に新年を祝う」というルートを取る人が増えており、「春節期間中に展覧会を見学する」や「芸術で新年を祝う」ことが新たなトレンドとなっている。例えば、2023年の春節期間中、多くの上海市民や観光客が上海博物館で開催された卯年歓迎特別展「玉兎仙人」を訪れた。 2024年の春節がだんだん近づいてきました。展覧会を訪れる準備をしている方は、宇宙の何百光年も離れた遥か遠くの空間に壮大な星雲の「アート展」があることをご存知でしょうか。いったい誰が私たちをそんな「美術展」に連れて行ってくれるのでしょうか？有名な「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」です。

01 ハッブルの後継機：ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST、以下ウェッブ望遠鏡と略す）は、NASA、欧州宇宙機関（ESA）、カナダ宇宙庁（CSA）の共同プロジェクトです。ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として、現在世界で最も複雑で高価な天体望遠鏡です。搭載されている科学機器は、近赤外線カメラ（NIRCam）、近赤外線分光計（NIRSpec）、中赤外線機器（MIRI）、精密誘導センサー/近赤外線イメージャー、シームレス分光計（FGS/NIRISS）の4つです。これらの機器の名前からもわかるように、ハッブル望遠鏡とは異なり、ウェッブ望遠鏡は主に、人間の目で見える可視光帯域よりも波長の長い赤外線帯域を観測します（図1参照）。その主な任務には、ビッグバン後に形成された第一世代の銀河の探索、銀河の進化の研究、恒星や惑星系の誕生過程の観測、太陽系の惑星や太陽系外惑星の化学組成の測定による生命の存在可能性の探究などがある。

図 1. ハッブル宇宙望遠鏡とウェッブ宇宙望遠鏡の観測帯域 (画像提供: ウェッブ宇宙望遠鏡メディアキット/NASA)

ウェッブ望遠鏡の強力な主鏡（口径6.5メートル）は、前例のない解像度と感度を実現し、より鮮明で壮大な宇宙の姿を私たちに見せてくれると期待されています。 2022年7月、ウェッブ望遠鏡の最初の科学画像が公開されました。その中には、ガスと塵で満たされた星雲であるカリーナ星雲（図2の右上）が含まれており、多くのネットユーザーから最初の科学画像の中で最も美しいと考えられています。作者はこれを自分のコンピューターのデスクトップの壁紙として使用しました。 2023年7月、科学観測開始1周年を記念して、ウェッブ望遠鏡は星雲「へびつかい座ロー星雲」の素晴らしい画像を公開しました（図3）。この写真は印象派の絵画のようで、ネイチャー誌によって2023年のトップ10科学画像の一つに選ばれました。ウェッブ望遠鏡は宇宙のモネのようで、宇宙の光と影の美しさを鮮やかに表現しています。

図 2. ウェッブ望遠鏡によって公開された最初の科学画像。左上: 2 つの赤外線バンドで見た南リング星雲。右上: カリーナ星雲 (NGC 3324) の一角。左下: ステファンの五つ子銀河。右下: 銀河団 SMACS 0723。(画像提供: NASA、ESA、CSA、STScI)

図3. ウェッブ望遠鏡で撮影されたへびつかい座星雲の一角。それぞれの星の輝く六芒星の線は、ウェッブ望遠鏡の主鏡と副鏡の構造によるものです。 (画像提供: NASA、ESA、CSA、STScI、Klaus Pontoppidan (STScI)、Alyssa Pagan (STScI))

02 壮大な星雲：星誕生のゆりかご

ウェッブ望遠鏡で撮影されたカリーナ星雲とへびつかい座星雲は、どちらも星形成領域、つまり星が生まれる場所です。これらの領域を観測することはウェッブ望遠鏡の中心的な科学的目標の一つであり、星の誕生の謎を明らかにすることが期待されています。そのうち、へびつかい座星雲は、地球から約390光年離れた、最も近い星形成領域です。天文学者たちは、巨大な分子雲が崩壊して数千、あるいは数百万の星になると考えています。これらの分子雲は星形成領域であり、主に約70％の水素、28％のヘリウム、および少量の他の元素で構成されています。分子雲の典型的な規模は数十から数百光年で、質量は太陽の質量の数万から数百万倍、温度は摂氏マイナス 250 度程度と非常に低い。これらの分子雲は均一な全体ではなく、多くの複雑な構造を含んでいます。分子雲の崩壊には重力不安定性が必要であり、これが乱流、回転、磁場とともに、星や星団が形成される領域である分子雲塊の空間分布と質量分布を決定します。多くの分子雲の塊やサブ塊が一緒に崩壊するため、星は大家族の兄弟姉妹のようにグループで生まれ、時間の経過とともにあちこちに散らばっていきます。天文学者たちは、私たちの太陽には数千もの兄弟がいると推定しています。

分子雲の崩壊により中心部の温度が徐々に上昇し、原始星と呼ばれる天体が形成されます。この原始星は、中心温度が核反応を維持できるほど高くないため、まだ核融合を開始していません。原始星は重力を利用して周囲のガスを降着させ、降着円盤を形成します (図 4 を参照)。原始星の質量が増加し続けると、内部の温度と圧力が徐々に上昇し、最終的には核融合を開始して恒星になるのに十分なレベルに達します。質量が大きいほど、このプロセスにかかる時間は短くなります。太陽の質量の恒星の場合、それには約5000万年かかりますが、これは太陽の寿命100億年と比較すると非常に短い幼少期です。原始星の集積が終了するか終了間近になると、集積円盤上の残留ガスと塵が衝突して集まり、核を形成し、周囲のガスと塵を集積して、最終的に星を周回する惑星が形成されます。

図 4. 20 個の異なる原始星とその降着円盤。 (画像提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、S. Andrews 他; NRAO/AUI/NSF、S. Dagnello)

過去数十年にわたり、天文学者は星間ガス星雲が恒星とその周囲の惑星に崩壊する一般的なプロセスを徐々に理解してきましたが、まだ不明な点が多く、未解決の問題も多く残っています。これらの疑問に対する答えは、太陽系、さらには生命の起源に関する新たな洞察をもたらすかもしれません。したがって、ウェッブ望遠鏡は星形成プロセスの観測をその中心的な科学的目標の 1 つとしています。

03色とりどりの星のゆりかごはどうやって撮影されたのでしょうか？

星形成領域は塵で満たされており、それが光を遮るため（スモッグの日のもやを想像してください）、星形成領域の詳細や誕生する星を見ることができません。赤外線はこの塵を透過することができ、これはまさにウェッブ望遠鏡が観測する波長範囲です。そのため、ハッブル望遠鏡と比較すると、ウェッブ望遠鏡は細部がより鮮明である（解像度が高い）だけでなく、より鮮明に見ることができます（塵に隠れた天体を見ることができます）。図 5: 左側はハッブル宇宙望遠鏡が撮影した有名な「創造の柱」（わし星雲の一部）です。噴出しているように見えるこの茶色い柱は塵です。右の写真はウェッブ望遠鏡で撮影された同じ領域です。ウェッブの写真は明らかに透明度が高く、ハッブルの写真では塵に隠れていた多くの領域や星が明らかになっていることがわかります。

図 5. ハッブル望遠鏡 (左) とウェッブ望遠鏡 (右) が捉えたわし星雲の一部。 (NASA、ESA、CSA、STScI からの画像; Joseph DePasquale (STScI)、Anton M. Koekemoer (STScI)、Alyssa Pagan (STScI)。)

人間の目は赤外線を見ることができないのに、なぜウェッブが撮影した色鮮やかな写真がこんなにも見えるのでしょうか?実際、私たちが日常生活で目にするすべての色は、いくつかの基本色で合成することができます。たとえば、さまざまなディスプレイ デバイスやデジタル カメラでは、赤、緑、青の 3 つの原色を使用して他の色を合成します。プリンターはシアン、赤、黄色を使用してさまざまなカラー画像を合成します。天体観測における色は、実は非常に狭い帯域に対応しています。 1 つのバンドで観測すると 1 つの色を見ることができます。たとえば、赤いレンズで赤い世界を見ることができますが、これは赤い光だけがレンズを通過するのと同じです。この種のレンズは天文学ではフィルターと呼ばれます。

ウェッブが観測したへびつかい座星雲（図3）は、近赤外線カメラで撮影されました。合計5 つのフィルターを使用して写真を個別に撮影し、各写真に人間の目に見える色を割り当てました。最終的に、私たちが目にする色鮮やかな星雲が合成されました。これには以下が含まれます。

フィルターF187N（中心波長1.874μm）青色指定

フィルターF200W（1.990μm）は水色

フィルターF335W（3.365ミクロン）はシアン

フィルターF444W（4.421μm）は黄色

フィルターF470N（4.707ミクロン）は赤

フィルターの波長が長くなると、指定された色の波長も長くなります。

図 3 に写っているへびつかい座星雲領域には、新たに生まれた星が約 50 個含まれており、そのほとんどは太陽とほぼ同じ大きさです。私たちの太陽系は45億年前にこのような星雲の中で誕生したのかもしれません。左下の鍾乳石のような構造の中央に明るい星があります。これはこの地域で太陽よりもはるかに大きい唯一の星です。この若い星は内なる情熱を抑えることができず、燃えるような光と星風を放ちます。彫刻刀のように、星雲（塵）の壁を彫り、ゆっくりと侵食して、私たちが目にするものを形成しています。この空洞には、淡い青色の霧のようなガス、多環芳香族炭化水素（PAH）も充満している。PAHは、星間物質に非常によく見られる炭化水素有機化合物の一種である。その放射線特性は約 3.3 ミクロンです。右上の赤い石筍のような構造は、新しく生まれた星が外殻を突き破り、生まれたばかりの赤ちゃんが初めて腕を伸ばすように、反対方向に放射する 2 つのジェットを作り出しているものです。赤色は分子水素からの放射線です。約 4.693 ミクロンの放射線特性を持っています。中央にはほぼ三角形の暗い領域があり、厚い塵が赤外線さえも遮っていることを示しています。

広大で無限の宇宙は、その壮大さと輝きで私たちの目を楽しませてくれるだけでなく、宇宙を探索する私たちに、その隠された謎による真の知識を与えてくれます。宇宙を絶えず探求することは自分自身を探求することであり、宇宙に常に畏敬の念を抱くことは自分自身に畏敬の念を抱くことです。

参考文献:

https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html

https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb

https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社