スターシェードは花びらのよう、メインミラーはハニカムのよう...天体望遠鏡のユニークなデザインをご覧ください

3月16日、メディアの報道によると、中国は2023年末までに新しいX線天文衛星「アインシュタイン探査機」を打ち上げる予定だ。この衛星は超新星爆発によって放出される最初の光線を捉え、重力波の発生源の探査と正確な位置特定に貢献し、宇宙のより遠く暗い天体やつかの間の神秘的な天文現象を発見すると期待されている。

科学者たちはロブスターの目の独特な焦点合わせと画像化の原理にヒントを得て、超広視野角と高い検出感度を備えた特別な新型X線望遠鏡を設計したと報じられている。

つまり、この望遠鏡は非常に広い範囲を観測できると同時に、より暗く遠い宇宙も観測できるのです。ロブスターアイ望遠鏡技術の使用により、アインシュタイン探査衛星は、現在ほとんど知られていない軟X線帯域で、広い視野、高感度、迅速な時間領域天空調査を実施できます。

実際、「ロブスターアイ」と同じくらい独創的な望遠鏡は数多く存在します。彼らは宇宙を旅したり、地球に根を下ろしたりして、宇宙の謎の探究に貢献しています。

郭守景望遠鏡

ミラー付き光ファイバーで両方の長所を活かす

画像提供：国立天文台

天体望遠鏡の設計分野では、大口径と広い視野の間に矛盾がある「一挙両得」の問題が常に存在してきました。簡単に言えば、「遠くを見る」ことと「広く見る」ことの両方を持つことはできません。

河北省興隆県にある、郭守景望遠鏡としても知られる大天域多天体ファイバー分光望遠鏡（LAMOST）は、もともと天体望遠鏡の大口径と広い視野の間の矛盾を解決するために開発され、中国が独自に大口径望遠鏡を開発する道を開いた。

LAMOST の全体的な構造はシュミット反射望遠鏡です。宇宙からの光は、まず MA と呼ばれる平面の主鏡によって MB と呼ばれる球面の主鏡に反射されます。次に、光は MB の焦点面に焦点を合わせます。焦点面では、4,000 本の光ファイバーが光を迎えます。これらの光ファイバーは、さまざまな方向からの光を分光計に正確に導きます。これら 4,000 本の光ファイバーのおかげで、LAMOST は理論上、最大 4,000 個の異なる星を同時に観測できます。これは超広視野角を得ることに相当します。そのため、LAMOST では従来の光学望遠鏡のように天体の美しい写真を撮ることができません。代わりに、天体のスペクトルを捉えます。

さらに、アクティブ光学技術はLAMOSTの中核となるキーテクノロジーです。アクティブオプティクスとは、レンズの形状を積極的に変化させることで、重力、温度、風などによるミラー自体の変形が結像に与える影響を克服し、より鮮明な画像を実現する技術です。大きな鏡では精密な調整が困難です。 LAMOST の MA および MB 主鏡は、それぞれ 24 個と 37 個の小さな六角形の鏡で構成されています。 R&D チームは各レンズの後ろにアクチュエータを設計し、設置しました。これらのアクチュエータのより重要な機能は、ミラーの重量を支えることに加え、ミラーの形状を調整することです。

アクティブ光学技術は、コンピュータアルゴリズムを通じて、小型ミラーの1000分の1レベルでのリアルタイム調整を実現し、小型ミラーを観察ニーズに合わせて変形させ、各小型ミラーを共焦点にすることができます。何千ものフォースアクチュエータが MA を構成する小さなミラーをリアルタイムで制御し、必要な形状を実現して画像をより鮮明にします。

LAMOSTは、複数の技術を独創的に応用することで、望遠鏡の大口径化と広視野化の両立というボトルネックを打破し、一連の観測成果も達成しました。 2019年3月、LAMOSTの7年間の調査スペクトルデータが正式に公開されました。これには1,125万のスペクトルが含まれており、これは他の国際調​​査プロジェクトによって公開されたスペクトルの総数の約2倍です。これまでに、LAMOST は 1,000 万を超えるスペクトルを取得した世界初のスペクトル調査プロジェクトとなっています。

HabEx 望遠鏡

あるいは「花びら」を使って星の光を遮る

HabEx 望遠鏡、居住可能な太陽系外惑星観測所。他の恒星を周回する惑星を直接撮影できると報告されている。観測対象はホットジュピターからスーパーアースまであらゆるタイプの惑星だが、主なミッションは地球に似た太陽系外惑星の観測だ。

言い換えれば、HabEx望遠鏡は他の恒星を周回する惑星における生命の兆候を検出しようとするものである。この目標を達成するために、HabEx 望遠鏡は恒星からの光を遮断し、その恒星の周りの暗い惑星を検出できるようにする必要があります。

HabEx が星の光を遮る最初の方法は、コロナグラフを設置することです。コロナグラフは、望遠鏡の中に設置され、星の光を遮る小さな構造物です。星の周りの物体からの微かな光が望遠鏡のセンサーによって撮影されます。この望遠鏡には特殊な変形ミラーが付いており、微かな惑星が見えるようになるまで微調整や調整が可能です。

HabEx望遠鏡が星の光を遮る2つ目の方法は、スターシェードを使うことだ。スターシェードとは、望遠鏡の前に設置された、花びらの形をしたフットボール競技場ほどの大きさのシールドで、星からの光を遮るが、惑星から反射した光が望遠鏡の機器に当たるようにする。

HabEx望遠鏡は、地球に似た太陽系外惑星を観測するという主な任務に加えて、初期宇宙の観測や、超新星爆発前後の大質量星の化学組成の研究など、天体物理学の研究にも使用される予定だ。

中国のスカイアイ

「網膜」と「瞳孔」を持つ

「中国の天眼」の全景（メンテナンス中に撮影、ドローン撮影）。写真提供：新華社記者 欧東区

天体望遠鏡について話すとき、多くの人が中国の貴州省前南のカルスト台地にある「大きな壺」、口径500メートル球面電波望遠鏡（FAST）を思い浮かべると思います。

「中国の天眼」として知られるFASTは、現在、世界最大の単一口径で最も感度の高い電波天文望遠鏡です。この「大壺」の設計は、主にその「網膜」と「瞳孔」に反映されており、世界の既存の単口径電波望遠鏡とは異なります。 「網膜」は反射面を指し、「瞳孔」はフィードキャビンを指します。

FAST の「網膜」は、4,500 個の反射ユニットで構成されたアクティブ反射面です。ケーブル ネット構造は、FAST アクティブ反射面の主な支持構造です。時には球体になり、時には放物線になるなど、自らの形を変えることができます。船乗りがケーブルを引っ張って帆の方向を制御できるのと同じように、「ポット」は鋼鉄ケーブルネットを引っ張ることで方向を変えることができ、変更プロセス全体がレーザー位置決めシステムによって調整されます。

「Retina」の設計目標は、小さな錠剤ほどの大きさのスペースにサッカー場30個分の範囲をカバーする信号を集め、宇宙の微弱な無線信号を可能な限り監視することです。フィードキャビンに設置されたフィードは、衛星信号を収集するためのホーンのような装置に似ており、宇宙信号を受信する役割を果たします。吊り下げられた給餌キャビンは、宇宙を眺める「瞳孔」のように見えます。重さは30トンで、長さ400メートルを超える6本の鋼鉄ケーブルで吊り下げられています。移動範囲は最大200メートルです。 FAST が正常に動作し、宇宙の謎を「はっきりと見る」ためには、ケーブル ネットの各部分とフィード キャビン内の受信機の変位をミリメートル単位で制御する必要があります。

FASTは、2020年1月11日に国家承認を取得して以来、星間磁場の中性水素スペクトル線測定、高速電波バースト、パルサー探索など、最先端の天文学分野で一連の重要な科学的成果を達成してきました。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

巨大な「ハニカム」鏡が宇宙の秘密を明らかにする

宇宙に展開されたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡。画像提供: NASA アニメーター

2021年12月25日、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が宇宙に打ち上げられました。ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は大いに期待されていました。数回の延期の後、ついに打ち上げられ、多くの画期的な成果で期待に応え、人々は宇宙の遠く離れた深宇宙をより鮮明に見ることができるようになりました。これらの成果はすべて、ハニカム形状の「ビッグミラー」のおかげです。

主に赤外線帯域で観測を行うジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、光学・科学機器、サンシールド、そして「宇宙船バス」と呼ばれるサポートシステムで構成されており、総重量は6.2トンです。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の光学モジュールは「3枚鏡非点収差システム」を採用しており、主鏡で捉えた赤外線は副鏡と三次鏡で反射され、微動鏡によって科学機器モジュールに伝送されます。直径6.5メートルの巨大な主鏡は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の最も目を引く特徴です。 18枚の六角形レンズで構成されており、集光面積は「前身」のハッブル宇宙望遠鏡の5倍以上です。副鏡は主鏡の前面から伸びる3本の長いアームで支えられ、三次鏡と微動鏡は主鏡の中央の隆起した黒い「ノーズコーン」の中に配置されています。

敏感な赤外線信号を宇宙放射線の干渉から保護するために、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は摂氏マイナス220度程度の低温環境で動作する必要があります。主鏡、副鏡、三次鏡はすべて金属ベリリウムで作られています。この金属は密度が低く、硬度が比較的高く、低温でも収縮や変形が起こりにくいです。レンズの表面には厚さわずか 100 ナノメートルの金の層が吹き付けられており、その目的はミラーの赤外線反射性能を最適化することです。

統合科学機器モジュールは主鏡の背面に配置されており、近赤外線カメラ、近赤外線分光計、近赤外線イメージング装置、シームレス分光計、中赤外線機器などの機器が含まれています。彼らはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって集められた光を分析し、画像化する。

主鏡の下にある巨大な凧型のサンシールドは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を太陽、地球、月からの放射線から保護します。サンシェードはテニスコートほどの大きさで、アルミニウムコーティングされたポリイミド製の5層フィルム構造として設計されています。太陽に最も近い外層の厚さは 0.050 mm、その他の層の厚さは 0.025 mm です。サンシールドは望遠鏡を冷たい側と熱い側に分け、一方は深宇宙に面し、もう一方は太陽に面しており、最大温度差は摂氏300度以上になります。

フルカラーの深宇宙画像の最初のバッチを公開し、太陽系外惑星を初めて直接撮影し、これまでで最も遠い銀河を検出し、塵の層を貫通して銀河の内部を検出しました...ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、打ち上げ以来、人々にあまりにも多くの驚きをもたらしました。現在も宇宙空間を漂い続け、宇宙の初期形成の謎を絶えず探究し続けています。

科技日報記者 魏一塵

出典：科技日報