中国は宇宙のブラックホールを調査して特定するために「アインシュタイン探査衛星」を打ち上げる予定

最近、中国科学院は、わが国が2023年末にアインシュタイン探査衛星を打ち上げる計画であると発表した。この衛星は、超新星爆発からの最初の「光」の光線を捉え、重力波の発生源の探査と正確な位置特定に役立ち、宇宙のより遠く暗い天体やつかの間の神秘的な現象を発見することが期待されている。これはどんな種類の衛星ですか?ユニークなトリックは何ですか？なぜアインシュタインにちなんで名付けられたのですか?

01. 宇宙のX線スキャナー

アインシュタイン探査衛星はX線宇宙観測衛星です。

X線といえば、健康診断の胸部X線撮影に使われる、衣服の上から胸腔内の写真を撮影できる機器を思い浮かべるでしょう。実は、X線も電磁波の一種です。宇宙の多くの高エネルギー天体は、X 線帯の電磁放射を生成します。たとえば、星が寿命を迎えるとき、超新星爆発、2 つの中性子星の合体、または周囲の物質を集積するブラックホールなどでは、いずれも強力な X 線信号が生成されます。私たちの太陽でさえ、X線帯域の電磁波を絶えず発生しています。

X線帯は日常生活における健康診断に用いられるほか、 X線を発する高エネルギー天体の「健康診断」にも利用できるといえます。高エネルギー天体によって生成されるX線信号を分析することで、高エネルギー天体の物理的プロセスを特徴づけることができ、それによって宇宙の形成と進化に関する科学的理解が深まります。

そのため、X線の検出は天文学の分野で非常に重要です。しかし、大気はX線信号を吸収するため、宇宙にX線観測所が建設されます。 1996年に米国はチャンドラX線観測衛星を打ち上げ、2017年には我が国がインサイト-HXMT硬X線変調望遠鏡を打ち上げ、神秘的なX線宇宙の探知に重要な貢献を果たしました。

宇宙の高エネルギー天体もX線を放射します。画像出典: Tuchong Creative

02. 視野と感度を両立した独創的なデザイン

天体観測においては、できるだけ広い範囲を、できるだけ暗い対象物まで見ることができるようにしたいとよく考えられます。これは設計指標に反映されており、望遠鏡の視野が可能な限り広く、感度が可能な限り高くなることを期待しています。こうすることで、宇宙全体を素早く観察し、宇宙の動的な変化をリアルタイムで監視することができます。

しかし、望遠鏡の設計においては、視野と検出感度は相反する指標の組み合わせです。視野の広い望遠鏡では高い検出感度を得ることが難しい場合が多く、検出感度の高い望遠鏡では広い視野の検出を得ることが難しい場合が多い。まるでケーキを食べて、それを残しておくことはできないようなものです。アインシュタイン探査衛星のユニークな特徴は、広い視野と高感度検出を両立していることです。その中心となる搭載物はロブスターアイ望遠鏡です。

生物学者は早くから、ロブスターの目が他の動物の目と違うことを発見した。それらは四角い穴の形をした多数の微細なチューブで構成されています。チューブの壁は滑らかで、同じ中心を指しています。この構造により、あらゆる方向からの光が小さな四角い穴で反射され、網膜に収束します。

1979年、アメリカの科学者たちはこれにヒントを得て、ロブスターの目を模倣し、X線を集束させて反射によって画像を形成する望遠鏡を建造することを提案しました。しかし、このアイデアは提案されてから長い間実現されませんでした。マイクロ加工技術が改良されて初めて、科学者たちは髪の毛ほどの太さの小さな四角い穴で覆われた微細多孔性のロブスターレンズを徐々に開発しました。

国立天文台は2010年にロブスターアイX線画像化技術の開発を開始し、長年の努力の末、ついに画期的な成果を達成した。他の方法で作られたX線集束望遠鏡の視野は地球から見た月の大きさとほぼ同じですが、ロブスターアイ望遠鏡は月の約1,000倍の大きさの空の領域をカバーできます。アインシュタイン探査衛星にはこのような望遠鏡が12台搭載され、その視野は月の約1万倍の大きさになる。

03. 天体観測の強力なアシスタント

アインシュタイン探査衛星のユニークな設計により、重力波を生成する中性子連星合体イベントなど、宇宙で起こる予測不可能なX線天文イベントを多数検出することが可能になります。アインシュタイン探査衛星は、LIGO などの地上の重力波検出装置と連携して、重力波イベントを正確に特定することができます。アインシュタイン探査衛星は、ブラックホールが星を捕らえる際に放出するX線信号を検出したり、宇宙のブラックホールの調査や位置特定を行ったり、ブラックホールが宇宙に広く存在するかどうかといった科学的な疑問に答えたりすることもできる。

重力波とブラックホールは、アインシュタインの一般相対性理論の頂点に立つ最も輝かしい2つの真珠であり、アインシュタイン探査衛星の命名は科学界の巨人アインシュタインへの敬意を表したものでもある。

アインシュタイン探査衛星は、我が国の宇宙科学における戦略的主導的科学技術特別プロジェクトの衛星です。これまでに打ち上げられた「假福1号」衛星、「匯炎」衛星、「悟空」衛星、「墨子」衛星はいずれも宇宙科学衛星の大きなファミリーの一員である。中国の科学者たちは将来を見据えて、「極限宇宙」、「時空の波紋」、「太陽と地球のパノラマ」、「居住可能な惑星」、「宇宙研究」という5つの主要な宇宙科学フロンティア探査ロードマップを計画し、宇宙の謎の解明に中国の力を発揮することを目指している。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 李明涛

査読者: ハン・ウェンビオ (中国科学院上海天文台研究員)

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司