宇宙望遠鏡：新たな撮影方法

少し前に、NASA はウェッブ宇宙望遠鏡で撮影された最初の一連の写真を公式に公開しました。そのうちの1つは、何千もの銀河を含む銀河団SMACS0723でした。ハッブル宇宙望遠鏡の極深宇宙画像に写っている銀河よりも暗い銀河を捉えた。これは人類がこれまでに撮影した最も遠く、最も鮮明な深宇宙の画像です。では、宇宙望遠鏡はどのようにして遠くの銀河の写真を撮影するのでしょうか?一般的なカメラで写真を撮るのとどう違うのでしょうか?

ウェッブ望遠鏡の概略図

地上撮影は大気の影響を大きく受ける

ドイツの哲学者カントはかつてこう言いました。「深く、粘り強く考えれば考えるほど、私の魂に呼び起こされる驚きと畏怖の念は日々変化し、大きくなるものが二つある。それは、私の頭上の星空と、私の心の中にある道徳律である。」

人間の本性は星空に対する好奇心と憧れに満ちており、より多くの謎と知識を理解したいと切望していますが、肉眼の観察能力はあまりにも弱いです。ガリレオの時代の原始的な望遠鏡から始まり、人類は数え切れないほどの地上望遠鏡を建造してきました。現在、欧米諸国では口径30メートル、40メートル級の超大口径地上望遠鏡の建設が進められており、人類の宇宙に対する視野は大きく広がることになる。

しかし、複雑で絶えず変化する大気は、地上の望遠鏡による観測にとって障害となっている。双眼鏡や安価な一次天体望遠鏡を持っていても、雲、雨、霧、風などの気象条件による妨害に遭遇することがよくあります。大気の乱れによって引き起こされる乱れは、肉眼で見える星を絶えず明滅させるだけでなく、望遠鏡で見ると星がさらに激しく明滅したり飛び跳ねたりする原因にもなります。

シーイングとは、望遠鏡で見える像の鮮明さを指し、大気の乱れの程度を測定するために使用されます。シーイングの影響を受ける地上望遠鏡の解像度の限界は約 1 秒角で、これは望遠鏡の回折限界よりもはるかに小さくなります。

補償光学技術の出現により、視覚はもはや克服できない障害ではなくなったが、大気が多くの帯域の光波を吸収するため、地上の望遠鏡は無力なままとなっている。厚い大気は赤外線やその他の帯域の光波を吸収し、ビッグバン後の急速な膨張により初期宇宙の星の光は赤外線帯域に大きく赤方偏移しました。地上の望遠鏡はどんなに大きくても無力です。

ウェッブ望遠鏡の概略図

星空や宇宙をより鮮明に、より深く観察し、より多くの謎を理解するために、科学者たちは宇宙望遠鏡を打ち上げるというアイデアを提案しました。こうすることで、大気の影響を受けなくなり、大型望遠鏡の光学性能を最大限に発揮できるようになります。

人々は地上のカメラを使って星空の写真を撮ります。携帯電話のカメラ、一眼レフカメラ、望遠鏡であっても、科学者が使用する超望遠鏡や高性能CCDセンサーであっても、大気に吸収された赤外線を見ることはできず、ハッブル宇宙望遠鏡のようにビッグバンの初期の遠くのかすかな星の光を見ることはできません。

素材によってイメージが異なる

光学望遠鏡は、屈折型、反射型、混合カタディオプトリック型の 2 つの主要なカテゴリに分けられます。最も一般的でよく使われる光学望遠鏡は、屈折の原理を利用して画像を形成する携帯電話のカメラと一眼レフカメラのレンズです。屈折光学系はシンプルで信頼性が高いですが、色収差と重量という避けられない問題もあります。

屈折光学系では、光は凸レンズ本体を通過するため、レンズの高い光透過率が求められます。しかし、光透過材料は波長によって光の屈折能力が異なるため、色収差が発生する可能性が高くなります。

望遠鏡メーカーは、この現象を非常に早い段階で発見し、異なる材料で作られたレンズを使用して屈折望遠鏡を開発し、色収差の問題を基本的に解決しました。しかし、より優れた集光能力を得て、より暗い星を観測するために、望遠鏡はますます大きくなり、屈折望遠鏡のレンズはますます重くなってきました。同時に、屈折望遠鏡の巨大なレンズは研磨が難しく、変形しやすいため、基本的に天体観測の分野から撤退することになります。

宇宙望遠鏡には、サイズと重量に関して極めて厳しい要件があります。これらはすべて反射光学系を使用しており、携帯電話やカメラレンズの光学系とは大きく異なります。

反射望遠鏡が像を結ぶとき、光は主鏡を通過する必要はなく、反射によって焦点が合わされて結像されるため、色収差の問題が解消されます。反射望遠鏡のレンズは、反射面を 1 面加工するだけで済むため、製造が簡単で、レンズの重量も軽いため、より大きな口径の望遠鏡を簡単に作ることができます。

反射望遠鏡はその利点により、すぐに天体望遠鏡の主流となりました。米国のハッブル宇宙望遠鏡とウェッブ宇宙望遠鏡は、より優れた画像品質を得るためにリッチー・クレティエン双曲面反射鏡設計を選択しましたが、現在我が国で開発中の調査望遠鏡は、遮るもののない軸外し3反射設計を採用しており、より優れた画像品質を実現しています。これらの高性能反射イメージングシステムは、一般的なカメラやアマチュア用望遠鏡では非常に珍しいものです。

宇宙望遠鏡の場合、レンズは宇宙空間の大きな温度差環境も考慮する必要があるため、熱膨張係数が極めて低いレンズ材料が選択されます。運搬ロケットの打ち上げ時の加速度や振動も考慮する必要があるため、材料にはある程度の弾力性も必要です。

ハッブル望遠鏡は超低膨張係数の石英ガラスを使用し、ウェッブ望遠鏡はレンズの素材として金属ベリリウムを選択しています。ヨーロッパや我が国の宇宙望遠鏡では、膨張係数と密度が低いシリコンカーバイド材料が好まれます。

ウェッブ望遠鏡などの赤外線望遠鏡も、放射する赤外線を弱める必要があり、中赤外線カメラは6Kという極低温まで積極的に冷却する必要があり、地上の通常のカメラとは雲泥の差があります。

新しいコンセプトの望遠鏡はよりユニークな画像を実現

ハッブル望遠鏡は宇宙天文学の新しい時代の先駆けとなり、ウェッブ望遠鏡はビッグバンの初期の遠く暗い銀河を人々に見せた。今日、宇宙のさらなる謎を探求するために、多くの新しい概念の望遠鏡が現実のものとなったり、実現されようとしています。彼らは独自の画像化手法を使用しており、人類にさらなる科学的探査の驚きをもたらすでしょう。

ハッブル宇宙望遠鏡

ウェッブ望遠鏡による初の写真の公開記者会見で、NASAのビル・ネルソン長官は「ウェッブが撮影したこの写真に写っている星空の範囲は、腕を伸ばした距離から見た指先の砂粒に相当する」という鮮明な比喩を使った。

ハッブル・エクストリーム・ディープ・フィールドとウェッブ・ディープ・フィールドの写真はどちらも、非常に狭い範囲にある遠く​​の暗い天体を監視することを目的としており、一般的には詳細な調査として知られています。しかし、天文学は星空の一粒の「砂粒」に注目するだけでなく、広大な宇宙の細部にも関心を寄せており、そのためには全体調査を担う調査望遠鏡が必要です。

欧州宇宙機関の天体調査ミッションを担うユークリッド望遠鏡が、まもなく宇宙に打ち上げられる。我が国の天体観測用光学望遠鏡も2023年に打ち上げられる予定です。アメリカのローマン望遠鏡も天体観測に使われています。いずれも視野が広いのが特徴です。

宇宙望遠鏡の最も革新的なコンセプトは、米国の地球型惑星探査機（TPF）望遠鏡のコンセプトです。現在、中国は、超長基線干渉計技術によって高解像度の電波画像を取得する、直径15メートルのアンテナ3,000個以上で構成されるアンテナアレイである平方キロメートルアレイ（SKA）に投資しています。

SKA は非常に長い波長帯で動作しますが、可視光や赤外線の波長は非常に短いため、干渉画像化は極めて困難です。 TPF は、可視光干渉計アレイを備えた宇宙望遠鏡のコンセプトです。革新的な画像技術により、遠く離れた太陽系外惑星を直接撮影し、その大きさや温度などの情報を測定し、地球外生命体が存在するかどうかという疑問に人類が答えを出すことに貢献します。