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ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、宇宙へ

次世代宇宙望遠鏡「ジェームズ・ウェッブ」が、初期宇宙の解明を目指し、ついに宇宙へ旅立った!

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NASA/CHRIS GUNN

Nature ダイジェスト Vol. 19 No. 2 | doi : 10.1038/ndigest.2022.220226

原文:Nature (2021-12-09) | doi: 10.1038/d41586-021-03620-1 | The $11-billion Webb telescope aims to probe the early Universe

Alexandra Witze

これまでに建造された宇宙望遠鏡の中で、最も野心的で複雑なものを天文学者たちが計画し始めたとき、Lisa Dangはまだ生まれてもいなかった。それから約30年後の2021年12月、米航空宇宙局(NASA)のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(James Webb Space Telescope;JWST)は、ついに宇宙に旅立った。Dangは、この望遠鏡による最初の観測時間の一部を獲得し、望遠鏡が設計された当時にはまだ存在していなかった研究分野のデータを収集しようとしている(2011年1月号「次世代宇宙望遠鏡JWSTへの期待と現実」参照)。

マギル大学(カナダ・モントリオール)の大学院生である天体物理学者のDangは、「ウェッブ」という愛称で呼ばれるこの望遠鏡を使って、太陽系の外の惑星系にあるK2-141bという惑星を調べる予定だ。この惑星は非常に高温で、表面の岩石の一部は溶岩になっている。彼女が、他の数十人の天文学者たちと共にウェッブの観測時間を勝ち取ったことを知ったのは、2021年3月のことだった。

NASA、欧州宇宙機関(ESA)、カナダ宇宙庁(CSA)の共同ミッションであるウェッブは、同年12月25日にギアナ宇宙センター(フランス領ギアナ・クールー)から打ち上げられた。

全てが計画通りに進めば、ウェッブは、人類がこれまで見てきた中で最も遠い銀河や、はるか彼方の系外惑星の大気、塵に包まれた星形成領域の中心部などの宇宙現象を探り、天文学を一変させることになる。過去31年間にわたって私たちの宇宙に関する理解を大きく変えてきたハッブル宇宙望遠鏡の約100倍の性能を備えたウェッブは、宇宙のこれまで隠されていた側面を見せてくれることだろう。

NASAのゴダード宇宙飛行センター(米国メリーランド州グリーンベルト)の天体物理学者で、ウェッブの運用プロジェクトサイエンティストであるJane Rigbyは、「ウェッブの性能は革命的です。個人的には、天体物理学は『ウェッブ前』と『ウェッブ後』に分かれるだろうと考えています」と語る。

1961〜1968年にNASAの第2代長官を務めたJames E. Webb。長官時代にアポロ計画などの宇宙開発に携わった。 | 拡大する

Bettmann/Contributor/Bettmann/Getty

しかし、JWSTがもしうまくいかなかったら、天文学史上最高額を注ぎ込んだ賭けに負けたという不名誉を負うことになる。この望遠鏡の開発には数十年の歳月と100億ドル(約1兆2000億円)以上の費用がかかっていて、頻繁な遅延はNASAの天体物理学予算を何度も侵食した。打ち上げが間近に迫った2021年には、ジェームズ・ウェッブという名称を変えるべきではないかと論争が起こった。1960年代にNASAの長官を務めたJames E. Webbにちなんだ名称であり、NASAは当時、1人の職員を同性愛者の疑いがあるとして解雇していたからである。Webbが米国国務省の要職に就いていた1940年代後半〜1950年代前半、国務省は性的指向を理由にゲイやレズビアンを組織的に排除し、解雇していたことが分かっている。

多くの延期と論争を経て打ち上げられたウェッブは、世界中の天文学者の期待を一身に背負うことになる。全米天文学大学連合(ワシントンD.C.)の科学担当副会長である天文学者のHeidi Hammelは、数十年にわたりウェッブのプロジェクトに携わってきた。「こんなに大きなプロジェクトの先頭に立つことは、人生でそう何度もありません。万感の思いです」と語る。

数十年に及ぶ開発期間

後にウェッブとなる宇宙望遠鏡の構想が初めてぼんやり見えたのは、1989年に宇宙望遠鏡科学研究所(米国メリーランド州ボルティモア)で開催されたワークショップでのことだった。それは「ハッブル」という革新的な宇宙望遠鏡が打ち上げられる前年だったが、科学者たちは既に、その後継機をどのようなものにするかを考えていた。最終的に浮上したのは、六角形のセグメント18個から構成される、ハッブルの3倍近い口径6.5mの主鏡を持つ宇宙望遠鏡の計画だった。この主鏡は大き過ぎるため、打ち上げの際には折り紙のように折り畳み、宇宙に出てから展開しなければならない。主鏡の日よけになるのはテニスコートほどの大きさの凧型の太陽光シールドで、アルミニウムで被覆された5つの層からなり、太陽からの熱を遮って、望遠鏡が動作するのに必要な低温に保つ。

ウェッブのミッションの総額は、当初は10億ドル(約1100億円)と見積もられていた。当時でさえこの数字を信じる人はほとんどいなかったが、見積もり額はその後膨れ上がった。NASAは宇宙での運用コストを含めて97億ドル(約1兆1000億円)、ESAは7億ユーロ(約920億円)、CSAは2億カナダドル(約180億円)を拠出した。高騰するコストは会計検査院から厳しく調べられ、前代未聞のコストに見合うプロジェクトなのかと繰り返し問われることになった。しかしHammelは、「ある分野に真の変革をもたらすには、必要な道具作りから始めなければなりません」と言う。「これはそのための費用です」。

度重なる取り消しや設計変更に翻弄されたウェッブは、ようやく世界各国の研究所で具体化し、ゴダード宇宙飛行センターで組み立てられた。その後、ノースロップ・グラマン・エアロスペース・システムズ社(米国カリフォルニア州レドンドビーチ)で残りの部分と組み合わされた。同社での作業中、ウェッブはさらなるトラブルに見舞われた。技術者が間違った溶剤を使って洗浄したせいで、推進バルブが破損してしまったのだ。その後、試験中にネジが緩んで落ちるというアクシデントも起きた。

構想から32年後、ウェッブはついにギアナ宇宙センターから打ち上げられた。望遠鏡は地球から150万kmも離れた宇宙空間に配備されるので、問題が起きても、宇宙飛行士が修理しに行くわけにはいかない。地球を周回しているハッブル宇宙望遠鏡では、打ち上げ後の1993年に宇宙飛行士がスペースシャトルに乗って修理に赴き、研磨時のミスでピンぼけになっていた主鏡に補正用の光学部品を取り付けている。

ウェッブが宇宙を探る波長域は近赤外線〜中間赤外線で、その大半がハッブル宇宙望遠鏡よりも長波長側である。そのため、遠方の銀河から来て、宇宙の膨張によって引き伸ばされて長波長側(赤い側)にずれた光を調べることができる。ウェッブはまた、短い波長では見ることができない、星形成領域を包む塵や、星間ガスを調べることもできる。ハッブルと同様、天体からの光を分解してスペクトルを取り、天体の組成を特定する分光観測も可能である。

地球の大気は、地上からの赤外線天体観測のほとんどの妨げになっている。2009〜2013年に運用されたESAのハーシェル宇宙望遠鏡など、赤外線を使って観測を行う宇宙望遠鏡はこれまでにもあったが、巨大な主鏡と一連の高感度の観測機器を搭載したウェッブは、従来の赤外線宇宙望遠鏡をしのぐ大発見をもたらすことが期待されている(「宇宙に開く新しい目」参照)。ロチェスター工科大学(米国ニューヨーク)の天文学者Jeyhan Kartaltepeは、「ウェッブは、天文学の多くの分野で、私たちが知っていることの多くを変えるでしょう」と言う。

「宇宙に開く新しい目」PDF

GRAPHIC: NIK SPENCER/NATURE; ‘COLD TELESCOPE’ MAIN IMAGE: NASA GSFC/CIL/ADRIANA MANRIQUE GUTIERREZ; INFRARED SIMULATIONS: MADELINE MARSHALL (UNIV. MELBOURNE)

ウェッブは、かすかに光る赤い天体を見つけることができる。この能力で、138億年前にビッグバンによって宇宙が誕生してから最初にできた恒星や銀河のいくつかを観測できるはずである。これまでに観測されている最も遠い銀河は地球から134億光年の距離にあるGN-z11という控え目な銀河だが、ウェッブによってこの記録が塗り替えられるのはほぼ確実だ1,2

ウェッブの1年目の科学観測の中では最大のプロジェクトとなるCOSMOS-Webbという大規模研究では、満月3個分の範囲の空に望遠鏡を向け、50万個の銀河を観測する。観測は、地上と宇宙の主だった望遠鏡のほとんど全てを使用して同じ天域(この天域は天の赤道沿いにあるため、北半球からも南半球からも観測できる)を調べる現在進行中のプロジェクトに基づいて実施される。ウェッブはこの天域を200時間以上観測して豊富なデータを生成し、天文学者たちはそこから多くの発見をすることができるだろう。例えばウェッブは、ビッグバンから約40万〜10億年後の宇宙で最初の恒星や銀河が生まれた時代を赤外線で探ることができる。「宇宙再電離時代」と呼ばれるこの時代は、現在の銀河が進化するための舞台となった。COSMOS-Webbのリーダーの1人であるKartaltepeは、「この時代については、分からないことがまだまだ、たくさんあります」と言う。

こうした極端に遠い天体を観測することで、最初の恒星がどのように集まって銀河を形成したのか、生まれたばかりの銀河が時間と共にどのように進化していったのかといった疑問に答えることができる。初期宇宙での銀河の形成をよりよく理解することができれば、天文学者が現代の宇宙が生まれた過程を解明するのに役立つ。ライデン天文台(オランダ)の天文学者Mariska Kriekは、ウェッブを使って、星形成をやめた遠方の銀河を調べることを計画している。観測により、そうした銀河にある恒星の化学組成や運動速度が明らかになるだろう。得られたデータは、これらの銀河が、星形成をやめなかった銀河と違って歴史上のある時点で星形成をやめた機構や原因をKriekが解明するのに役立つだろう3。「私たちが探しているシグナルは非常に微弱なものです」と彼女は言う。「ジェームズ・ウェッブは、ここに切り込んでいこうとしているのです」。

遠方の惑星を探る

ウェッブが恒星や銀河を調べていないときには、惑星、特に太陽系外で発見された数千個の惑星のうちのいくつかの精査に多くの時間を費やすことになる。系外惑星が主星の手前を横切るとき、短時間だけ惑星の大気中を通ってくる主星の光を観測することができる。ウェッブのスペクトル分析は、惑星大気の組成をこれまでにない詳細さで明らかにすることができる。天文学者たちが中でも期待しているのは、生命が生きられる条件が備わっていることを示すメタンや水などの分子を見つけることだ。ウェッブは最初の1年間に、TRAPPIST-1という恒星の周りを回る7個の地球サイズの惑星など、特に有名な系外惑星を調べることになっている(2021年9月号「地球を観測できる位置にある恒星は2000個以上」参照)。

Dangは、ウェッブを使っていくつかの系外惑星を観測することになっている。彼女が率いるプロジェクトで調べる天体K2-141bは、地球の1.5倍の大きさで、主星のすぐ近くを公転しているため、表面の一部が溶けている。K2-141bは、太陽系の既知のどの惑星とも異なる地質を持つ、珍しい「溶岩惑星」の一例だ。ウェッブの赤外線カメラはK2-141bの大気中に表面から蒸発した鉱物を検出するかもしれないし、惑星全体の温度分布さえ調べられるかもしれない。「ウェッブは、系外惑星の科学に、これまで存在しなかった道をいくつも切り開くことでしょう」とDangは言う。

宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者Néstor Espinozaは、ウェッブの開発と建造の度重なる遅れは、系外惑星の研究者にとっては有利に働いたと言う。ある時点ではウェッブは2011年に打ち上げられる予定だったが、天文学者が系外惑星の周りに大気があることを最初に確認できたのは2005年のことだった4,5。ウェッブの打ち上げが遅れたことで、天文学者はウェッブの観測装置を微調整して、系外惑星の大気の観測に適したものにする時間ができた。「JWSTを2011年に打ち上げた場合よりも今の方が、はるかに良い準備ができました」とEspinozaは言う。

ウェッブは、巨大なガス惑星や、地球より大きく海王星より小さい惑星(これまでに発見された系外惑星では、このタイプが最も一般的である)など、幅広い種類の系外惑星を観測することになっている。

地球に近い所にも観察するべき天体はたくさんある。天文学者たちは、ウェッブの幅広い波長域を利用して、太陽系天体のこれまで見えなかった詳細を明らかにしたいと考えている。例えば、冥王星以遠の軌道を回る氷の天体の色や表面の化学的性質は、太陽系の起源の秘密を暴くのに役立つと考えられている。氷の巨大惑星である海王星と天王星の上層大気の化学組成は赤外線で最もよく見えるので、Hammelらはウェッブを使ってこれらを調べようと計画している。ウェッブを使って得られる上層大気の観測結果を、他の望遠鏡を使い、別の波長で下層大気を観測した結果と組み合わせることで、惑星大気の挙動に関する3次元的描像を得ることができる。そこから、同様の巨大系外惑星の挙動も明らかにすることができるはずだ。

観測開始までの最後のハードル

ウェッブの打ち上げ延期に恩恵を受けた科学者がいた半面、はるかに多くの人々が、長年にわたるウェッブの開発過程で数々の問題を起こしてきたNASAとその請負業者を批判している。米国の天文学のロードマップを定める2001年の報告書ではウェッブの開発は強く支持されていたが、NASAは複雑な望遠鏡の建造に必要な多くの技術(太陽光シールドなど)の開発に苦労し、特に2002年から2008年にかけては大きな遅れが出ていた。2010年に独立評価委員会がまとめた厳しい報告書は、主な問題はNASAが必要な時間と資金を過小評価したことから来ていると指摘し、「そのせいでプロジェクトは予算内に収まらなくなった」と結論付けている。

これを受けてNASAはプロジェクトの管理体制を見直したが、2018年の独立評価委員会の報告書で再び監督不行き届きを指摘された。コストはさらに8億ドル(約920億円)上昇すると予想され、打ち上げは1年近く延期された。その後、ノースロップ・グラマン社の問題やSARS-CoV-2パンデミックにより、打ち上げはさらに延期された。2021年には望遠鏡の名称を巡る論争も勃発した。NASAはJames Webbの言動に関する歴史的調査を行い、望遠鏡の名前を変更する予定はないと2021年10月に発表した。しかし多くの天文学者は、その調査の範囲についてNASAが公開した情報の少なさに不満を表明している。

当初打ち上げが予定されていた12月18日まで1カ月を切ったところで、ウェッブは新たな問題に直面した。ギアナ宇宙センターで、望遠鏡をロケットに固定するバンドが外れて振動が発生したのだ。調査を行ったNASAは、この振動による損傷はないとする結論に達した。

12月25日に無事に打ち上げられたウェッブだが、その後の半年間は、慎重を要する一連の動作が続く。2022年1月4日には太陽光シールド、5日には副鏡、8日には主鏡の展開を終えた。望遠鏡は第2ラグランジュ点(L2)という重力的に安定した点の周りを回る最終的な軌道(ハロー軌道)に向かいながら温度を下げてゆく。この軌道では、ウェッブは常に地球を背にして太陽から身を隠しているため、太陽光シールドによって低い温度を保ちながら遠方の天体を観測することができる。

ハッブル宇宙望遠鏡のこの画像には7500個の銀河があり、130 億年以上前のものもある。JWSTもこの領域をさらに調査する予定。 | 拡大する

NASA, ESA, Rogier Windhorst (ASU), S. Cohen (ASU), M. Mechtley (ASU), M. Rutkowski (ASU), Robert O'Connell (UVA), P. McCarthy (OCIW), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), Haojing Yan (OSU), Anton M. Koekemoer (STScI)

最終的な軌道に入ったウェッブは、2カ月かけて鏡と望遠鏡の光学系を同期させて調整し、さらに1カ月かけて観測機器の較正を行う。順調にいけば2022年6月には科学観測のための準備が整うはずだ。

天文学者たちは次のステップを慎重に計画した。Kartaltepeは、「直ちに仕事に取り掛かり、迅速に作業を進める必要があります」と言う。まずは「初期発表」のための観測を行う。観測の内容は極秘にされているが、望遠鏡の能力を誇示するために選ばれた一連の驚異的な画像が含まれることになるだろう。その後は一般的な観測が行われ、データはNASAから天文学コミュニティーに即時に公開される。そうしたプロジェクトの1つに、銀河同士の激しい衝突によって形成された赤外線銀河を調べるというものがある。カリフォルニア大学アーバイン校の天文学者Vivian Uは、「私たちは、JWSTからどんなデータが出てくるか、そのデータをどのように分析するかを確認する、最初のモルモットです」と言う。「私たちは先人たちが築き上げてきたものの上に立っているのです」。

何年もかけてウェッブの観測装置を作った天文学者のほか、学際的な関心の高い研究を課されたHammelら6人の科学者には、観測時間が確保されている。それが終わったら、主席研究者が提案する研究が始まる。それぞれの宇宙機関のウェッブへの貢献に応じて、欧州の天文学者には15%以上、カナダの天文学者には5%以上の観測時間が与えられる。提案された研究の評価は、評価者と提案者がお互いの名前を知らない「二重匿名査読」の方式で行われる。この方式は、望遠鏡の観測時間の割り当てにおけるジェンダーバイアスを減らせることが知られている6

ウェッブの寿命は宇宙空間で姿勢を制御するために使用する燃料の量によって決まり、少なくとも5年間、もしかすると10年程度は運用できるのではないかと期待されている。一方、老朽化したハッブル宇宙望遠鏡も、細々と観測を続けている。2009年に宇宙飛行士によって最後のアップグレードが行われたが、それ以来、徐々に劣化が進んでいる。2021年6月にはコンピューターの不具合によってオフラインとなり、技術者がバックアップシステムに切り替えて7月に再稼働した。同年10月にはハッブルの科学観測機器が内部通信の問題でオフラインになったが、技術者たちは12月上旬に全ての機器を復旧させた。

天文学者たちは、ハッブルからウェッブへと発見のバトンが渡される日を今か今かと待っている。「私が一番ワクワクするのは、ウェッブが何を見せてくれるか分からないことかもしれません」とKriekは言う。

(翻訳:三枝小夜子)

Alexandra Witzeは、米国コロラド州在住の科学ジャーナリスト

参考文献

  1. Oesch, P. A. et al. Astrophys. J. 819, 129 (2016).
  2. Jiang, L. et al. Nature Astron. 5, 256–261 (2021).
  3. Kriek, M. et al. Nature 540, 248–251 (2016).
  4. Charbonneau, D., Brown, T. M., Noyes, R. W. & Gilliland, R. L. Astrophys. J. 568, 377 (2002).
  5. Deming, D., Seager, S., Richardson, L. J. & Harrington, J. Nature 434, 740–743 (2005).
  6. Strolger, L. & Natarajan, P. Phys. Today https://doi.org/10.1063/PT.6.3.20190301a (2019).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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