まだはっきりと見えませんか?望遠鏡を更新する必要があるようです

1609年、天文学者ガリレオは直径4.4cmの望遠鏡を作り、それを使って月、太陽、星、天の川を観察しました。これは科学的研究成果を備えた世界初の天体望遠鏡でした。ガリレオはこれを利用して木星の衛星を発見し、太陽黒点周期を測定しました。

ガリレオは望遠鏡の使い方を他の人に教えている（出典：Wikipedia）

仕事をうまくやり遂げたいなら、まず道具を研がなければなりません。望遠鏡は天文学の研究において重要な役割を果たしているため、その鮮明度をいかに高めるかは当然、科学者が克服しなければならない難しい問題となっている。

もっと鮮明に見たいですか?口径を大きくしてください

科学者たちは望遠鏡の光学原理に対する理解を深めるにつれ、望遠鏡の解像度に影響を与える主な要因である「口径」をまとめました。望遠鏡の口径が大きいほど、光を集める能力が高まり、より多くの情報を取り込むことができます。

光学系の絞りと分解能の関係は、物理学者レイリー卿にちなんで名付けられた式で明確に表現されます。

式を理解していなくても問題ありません。実際には、望遠鏡の口径が大きいほど、望遠鏡の解像度が高くなり、より多くの詳細を観察できることを意味します。

画像出典: 著者自作

技術の進歩により、天文学界が製造する望遠鏡の口径はますます大きくなっています。 1789年、イギリス系ドイツ人のウィリアム・ハーシェルは口径1.22メートルの反射望遠鏡を製作しました。 1975年、ソ連が建造した6メートル反射望遠鏡BTA-6が正式に公開されました。それは当時世界最大の望遠鏡でした。

しかし、実際の運用では、BTA-6 の観測結果は 1 メートル望遠鏡の観測結果とほぼ同じです。 BTA-6 は口径が大きいにもかかわらず、大気の乱れにより観測能力は依然として大幅に制限されています。 BTA-6 は、毎年半分以下の夜にしか観測できず、その解像度はレイリーの公式で計算された結果からは程遠い。

観測を妨げる大気の乱気流

夜にきらめく星、暑い夏の道路を遠くで走る曲がりくねった車、飛行機のエンジンの後ろの光景はすべて大気の乱気流によって生じます。大気の乱れにより物体が歪んで見える。大気の乱れにより、光は大気を通過する際に歪み、望遠鏡で観測される画像の品質が大幅に低下します。

大気の乱れにより、望遠鏡で観測した月の画像に歪みが生じる（出典：Wikipedia）

当初、科学者たちは大気の乱れの影響を最小限に抑えるために、大気の状態がより良い場所に望遠鏡を建設することを選びました。 BAT-6の建設に先立ち、16の探検隊がソ連のさまざまな地域に派遣され、最終的な建設地は標高2,070メートルの北コーカサス山脈に選ばれた。現在、世界の重要な天文台のほとんどは、ハワイやカナリア諸島など、大気の条件が比較的良好な場所に位置しています。

しかしながら、大気の乱れが観測に支障をきたすことは避けられません。苦悩する科学者たちは疑問に思いました。大気の乱れは光を歪ませるのではないか？では、光を「ねじって」戻すことは可能なのでしょうか?このアイデアに触発されて、適応光学技術が誕生しました。

ねじれミラーによる補償光学

1953 年にはすでに科学者が適応光学の概念を提案していましたが、真のブレークスルーが達成されるまでには数十年かかりました。適応光学の中心となるのは、光波の歪みを検出する変形可能ミラーとシャック・ハルトマン波面センサーです。変形可能ミラーは、大気の乱れによって生じる歪みを補正するために使用され、それによって光学システムの性能が大幅に向上します。

（画像出典：著者自作）

しかし、鏡はどのように変形するのでしょうか?一つのアイデアは、非常に薄い鏡を作り、その背後に圧力をかけて鏡を変形させることです。

たとえば、欧州宇宙機関の VLT 調査望遠鏡の可変形状ミラー システムは次のようになります。

上部の密集した小さな穴には小さなドライバーが装備され、非常に薄いレンズで覆われます。ドライバーによりレンズが変形します。

アクチュエータを覆う超薄型レンズ（出典：ESA公式サイト）

補償光学システムを備えた望遠鏡が作動すると、空に向かってレーザーが発射されます。このレーザービームの機能は、大気の乱れによって生じる歪みを測定することであり、測定されたデータは、可変形状ミラーの変形の基準となります。可変形状ミラーは、常に変化する大気の乱れに対応するために、1秒間に何百回も形状を調整することができます。

VLT天体望遠鏡で撮影された画像。左側は適応光学システムをオンにした後に得られた画像、右側は適応光学システムなしで得られた画像です。

（画像出典：欧州宇宙機関公式サイト）

天文学界は大気の乱れという難問を解決し、「さらに大きく、さらに強くなり、さらに大きな栄光を生み出す」光景を見せた。これまでに建造された大型望遠鏡には以下のものがあります。

太平洋のハワイ島にある直径10メートルのケック望遠鏡。

ケック望遠鏡（出典：Wikipedia）

スペインのラ・パルマ島にある直径10.4メートルのカナリア望遠鏡。

南アフリカ天文台にある直径11メートルのソルター望遠鏡。これらの主要な望遠鏡は、同等の力を持つ神々の戦いとも言えます。

現在、直径30メートルのTMT望遠鏡、同等の直径21.4メートルの巨大マゼラン望遠鏡、直径42メートルのELT望遠鏡を建設する計画が進行中です。

ELT 望遠鏡のレンダリング (出典: 欧州宇宙機関公式サイト)

適応光学の出現は天文学界に多大な貢献をしただけでなく、他の分野でも広く利用されてきました。

医療用画像機器では、適応光学を応用することで、人間の目の組織構造のより鮮明な画像を取得できるようになり、医療の進歩が促進されます。将来人類にとって最も理想的なエネルギー源である核融合の分野では、適応型レーザー光学はより高品質のレーザービームを生成することができ、人類のエネルギーの将来に新たな可能性を提案しています。

大気の影響はありますか？そして宇宙へ

適応光学に加えて、大気の乱気流を排除するより直接的な方法があります。それは宇宙に行くことです。

ハッブル望遠鏡は、大気圏外で作動する人類初の望遠鏡です。直径は2.4メートルです。大気圏上にあるため、大気の乱れの影響を受けません。ハッブル望遠鏡の登場により、地上観測の欠点がうまく補われ、科学者は天文学の多くの基本的な問題を解決でき、人類も天体物理学をより深く理解できるようになりました。

つい最近打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ望遠鏡（JWST）は、宇宙望遠鏡の新たな王者です。ハッブル望遠鏡の口径2.4メートルと比較すると、口径が大きい（6.5メートル）だけでなく、補償光学システムも搭載されています。

世界の主な望遠鏡のサイズの地図（出典：Wikipedia）

ロケットの大きさのため、JWST の鏡は一枚の鏡ではなく、18 個の六角形レンズで構成されています。望遠鏡の主鏡は折りたたまれた状態で宇宙空間に入り、適応光学システムを使用してさまざまなレンズの位置偏差を補正しながら宇宙空間で展開します。観測に対する太陽の影響を避けるため、JWSTは150万キロ離れた第2ラグランジュ点にも観測のために向かった。

建設中の宇宙望遠鏡の中には、中国科学院長春光学精密機械物理研究所が設計・製造した天体観測宇宙望遠鏡がある。スカイサーベイ望遠鏡は2024年に宇宙に打ち上げられ、天宮宇宙ステーションと共軌道に乗る予定だ。

中国の科学者らは、ロケットの限られた積載量を補うため、軌道上で望遠鏡を製造・組み立てる方法も研究している。おそらく近い将来、直径 30 メートルの宇宙望遠鏡が宇宙で稼働するようになるだろう。

大型天体望遠鏡は人類の英知と現代の技術の集大成です。人類の宇宙への飽くなき探求は、天体望遠鏡の技術の継続的な進歩を推進してきました。そして人類の宇宙探査はこれからも続くでしょう。

参考文献:

[1]https://www.tmt.org/blog/tmt20180419

[2]https://www.eso.org/public/

[3] 江文漢、Jiang、Wenhan、他。適応光学の発展に関するレビュー[J]。光電子工学、2018年、45(3):15。

[4] Angeli GZ、Dierickx P、Neill D、他。 LSST アクティブ光学システムの概要[C]// 天文学のためのモデリング、システムエンジニアリング、プロジェクト管理 VI。天文学のためのモデリング、システムエンジニアリング、プロジェクト管理 VI、2014:91500G。

[5] Ellerbroek BL、Gilles L、Vogel CR。巨大望遠鏡上の多重共役適応光学のシミュレーションのための計算効率の高い波面再構成装置[J]。 SPIE（国際光工学協会）の議事録、2003 年。

[6] 天体望遠鏡の簡単な歴史 - jjjastronomyの記事 - Zhihu https://zhuanlan.zhihu.com/p/33304114

制作：中国科学普及協会

著者: 海の塩漬け魚

プロデューサー: 中国科学博覧会