「直接撮影」の助けを借りれば、太陽系外惑星は「信じられる」

制作：中国科学普及協会

著者: 董志川 (中国科学院国立天文台南京天文光学技術研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

日常生活では、私たちは直接目に見えて直感的にわかるものを信じる傾向があります。実際、それは人生だけでなく、科学研究においても同様です。科学者たちは、研究結果において「百聞は一見に如かず」を達成することに熱心です。これは科学的真実の追求であるだけでなく、実用上の意義も持っています。壮大な科学的目標を達成することも急務です。

たとえば、天文学では、「百聞は一見にしかず」ということが時々必要です。

2008年、科学者たちは「直接撮影法」を使用して、太陽系外惑星系であるHR8799惑星系の写真を撮影しました。米国ノースウェスタン大学の天体物理学者ジェイソン・ワン氏は、12年間にわたる継続的な観測を経て、HR8799惑星系の4つの惑星が恒星の周りを回る様子を鮮明に示すタイムラプス動画を最近公開した。

HR8799 惑星系の恒星を周回する 4 つの惑星のビデオ

(画像出典: ScienceNet)

これは「直接撮像方式」の応用シナリオの 1 つにすぎません。今後長きにわたって天文学者の重要な目標の一つは、太陽系外惑星を注意深く観察し、直接画像化することです。

太陽系外惑星を直接撮影することの難しさは何ですか?

太陽系外惑星を直接撮影することは、科学者にとって技術的に非常に困難です。惑星の光は非常に弱く、恒星の光は非常に強いため、通常は強い恒星の光にかき消され、直接検出することが困難です。太陽系外惑星を直接検出することは、サーチライトの横でかすかなホタルを探すようなものです。

したがって、惑星の信号を直接「見る」ためには、特別な方法、つまり高コントラスト画像コロナグラフ技術が必要です。コロナグラフは、さまざまな変調技術を通じて星の強い光を抑制し、最終画像面の特定の領域で高コントラストの画像を取得し、暗い惑星の画像化を可能にします。

「直接イメージング、百聞は一見に如かず」の追求が急務

なぜ私たちは「直接イメージして見ることで信じる」という強迫観念と欲求を常に持っているのでしょうか?直接画像化が不可能な場合、より根本的な問題が解決されないことがあるためです。

多くの映画では、いくつかのショットが疑問を投げかけることがあります。

映画「ジュラシック・パーク」では、戦闘機は明らかに十分にハイテクですが、翼竜を撃ち落とす必要があるときには狙いを見失っているように見えます。映画「ゴジラ」では、赤外線ミサイルは冷血爬虫類の怪獣ゴジラにロックオンすることができず、頻繁に目標を外してしまう。

翼竜

画像出典: https://www.earth.com/

SF映画に登場するこれらのハイテク戦闘機には、最先端の照準システムが搭載されているはずです。人間の目では簡単に狙える恐竜や巨大生物を、なぜいつも狙えないのでしょうか？

これは、航空機やミサイルがもともと翼竜やゴジラを標的として設計されたものではないためです。レーダーの目では、ターゲットの金属反射面のみに焦点が当てられます。しかし、赤外線探知誘導ミサイルの視点から見れば、その標的は単なる熱源なのかもしれない。

赤外線サーマルイメージング

（写真提供：veer）

人間はこれらの大型生物を目ではっきりと見ることができるのに、なぜレーダーや熱画像などの高度な兵器識別技術が効果がないのでしょうか?視覚誘導や画像認識で誘導するミサイルはないのでしょうか？

実際、視覚やテレビ誘導に基づくミサイルは現在も存在するが、そのほとんどは装甲車や戦車などの低速目標を攻撃したり、地上の固定目標を攻撃するために使用されている。さらに、飛行中の標的を攻撃するのに人間の目だけに頼る場合、「攻撃ウィンドウ」の範囲は非常に限られています。私たちが追求する「百聞は一見に如かず」とは、目に見えるものだけではなく、目で確認できない場所の直感的なイメージをも提示してくれることです。

「ミサイルでウィング・ロンを撃つ」ことの難しさは、「直接画像化と百聞は一見に如かず」が、依然としてターゲット識別と特徴検査の非常に信頼できる手段であるという教訓を私たちにもたらしています。

間接的センシング：太陽系外惑星を検出する現在の方法

天文学の研究でも同じことが言えます。惑星検出のためのより成熟した方法には、掩蔽、視線速度、天体測定、重力マイクロレンズ、直接撮像などがあります。いくつかの例外を除いて、これらの方法は間接的な認識とターゲットの検出です。

間接的な知覚と検出は、今でも映画のシーンで説明できます。戦闘機のレーダー画面に映る翼竜は翼竜そのものではなく、翼竜のレーダー反射波信号や赤外線熱源像に過ぎません。これらは、翼竜の体の「副次的効果」を検出しただけであり、間接的な検出および認識手段です。これまでに発見された太陽系外惑星のほとんどは、こうした間接的な効果を利用して発見されたものです。

人類が初めて太陽系外惑星を発見したのは1992年、ポーランドの科学者が「パルサータイミング法」を使ったときだった。この方法を使用して、科学者たちはPSR B1257+12と呼ばれるパルサーを周回する2つの惑星を発見しました。これは人類初の試みだが、パルサーは厳密には太陽のような恒星ではない。

PSR B1257+12パルサーの芸術的画像

(画像出典: wiki)

人類が本当の意味で発見した最初の太陽系外惑星は、1995年に視線速度法を用いて科学者が発見したペガスス座51bであるはずだ。発見者のミシェル・メイヤーと彼の弟子ディディエ・ケローは、この功績で2019年のノーベル賞を受賞した。

掩蔽法は現在、太陽系外惑星を発見する最も一般的な方法であり、太陽系外惑星の70％以上がこの方法を使用して発見されています。

天体測量は太陽系外惑星の探索に使用された最も古い方法でしたが、2018年現在、天体測量によって発見されたことが確認されている太陽系外惑星は、2010年に発見されたHD 176051bのみです。

しかし、私たちの研究は決してこれに限定されるものではありません。私たちは、研究対象をより深く理解し、研究できるように、常に「百聞は一見に如かず」を信条としています。これは強迫観念ではなく、さらなる科学的分析の必要性です。

直接撮影：天文学者は「見てみれば信じられる」ことを望んでいる

人類が太陽系外惑星を直接撮影し、自分の目で見ることに成功すれば、その形状や元素組成をより正確に分析できるようになり、明るさ、温度、大気、軌道などに関する最も直接的で豊富な情報が得られるほか、地形を直接調べることさえ可能になる（ただし、この目標を達成するのは非常に困難である）。

これが実現できれば、遠く離れた未知の太陽系外惑星の極めて鮮明で高画素の「ID写真」を撮影し、「ファイリングとカード化」を実現するのと同等であることは間違いないだろう。これにより、科学者は遠方の太陽系外惑星に生命が存在するかどうかをさらに判断しやすくなります。

冒頭で述べた物理学者のジェイソン・ワン氏は、この直感的な方法を使って人々に惑星の運動軌道を示そうとしました。彼はかつてこう語った。「天文現象はビデオで映すには速すぎたり遅すぎたりする。しかし、この『肉眼で見える』ビデオは、人間の時間スケールで惑星が動いていることを直感的に示しており、人々が楽しめる素晴らしいものになることを願っています。」

高コントラスト画像コロナグラフ実験プラットフォームは「百聞は一見に如かず」に役立ちます

幸いなことに、中国の研究者たちは直接画像化に向けていくつかの成果を達成しました。中国科学院南京天文光学研究所太陽系外惑星検出技術研究室は、汎用性の高い高コントラスト画像コロナグラフ実験プラットフォームを構築した。

システムの画像コントラストをさらに向上させるために、研究者らは「コア機能デバイス」に基づくスペックルノイズ除去技術と波面再構成アルゴリズムに関する研究作業を実施しました。最初の目標は、システムの画像コントラストを 1 桁 (～ 2 桁) 向上させて、若い巨大惑星を直接画像化できるようにすることです。長期的な目標は、システムの画像コントラストを向上させて地球型惑星の直接画像化を実現することです。

皆さんにもっと馴染みのあるジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、宇宙空間では大気の干渉がないので、直接撮像というミッションをよりうまく達成することができます。さらに、ウェッブ望遠鏡はすでに太陽系外惑星を直接撮影する能力を実証しています。わが中国の科学者たちも、同じアイデアを利用して、このシステムを宇宙に移植し始めており、現在建設中でますます完成度が高まっている宇宙ステーションに「移動」させ、大気の乱れの影響を受けずに高コントラストの条件下で「静かな」画像撮影を実現しようとしている。

ウェッブ望遠鏡

(画像出典: Wikipedia)

将来的には、研究者たちはより高い画像コントラストを実現し、このシステムをより広範囲に適用し、さらには人類が居住可能な第二の故郷を見つける手助けをできるようになると信じています。

編集者：郭 雅新