ウェッブ望遠鏡：100億ドルをかけて建設された驚くべき詳細

ウェッブ望遠鏡から公開された最初の一連のカラー写真を見て、2022年ピューリッツァー賞解説報道部門がウェッブ望遠鏡に関する記事を執筆したQuata誌のナタリー・ウォルチョーバー氏に授与されたことを思い出した。

その科学的な報告書は読む価値がある——

「宇宙の誕生を振り返り、最初の星の光を見るには、まず家ほどの大きさの鏡を磨かなければなりません。その表面は、大陸全体の大きさに拡大しても足首の高さよりも高い山や谷がないように、非常に滑らかでなければなりません。これほど大きくて平らな鏡だけが、空の最も遠い銀河からのかすかな光を集めて焦点を合わせることができます...

画像出典: nasa.gov

「こんなに特別な鏡があっても、まだ十分じゃない。

「銀河が形成された瞬間を誰も見たことがありません。なぜなら、太古の星の光は膨張する宇宙を何十億年も旅して、ものすごく引き伸ばされているからです。最も遠い星からの紫外線と可視光線は、地球に到達するまでに約20倍引き伸ばされ、赤外線になっています。しかし、赤外線は原子の振動によって放出される光でもあり、これを私たちは「熱」と呼んでいます。」同じ赤外線が私たちの体、大気、そして足元の地面からも放射されています。これらの局所的な熱源は、太古の星々のかすかな輝きを完全にかき消します。そのため、太古の星々を見るには、望遠鏡の大きな鏡を非常に冷たくして、宇宙に打ち出さなければなりません。

「問題がありました。ロケットには家ほどの大きさの鏡を運ぶことができませんでした。そのため、鏡は折りたたまなければなりませんでした。

「折り畳むためには、まずミラーを複数のレンズのハニカムアレイに分割する必要があります。

画像出典: nasa.gov

「焦点を合わせて鮮明な画像を生成するには、ミラーを空間に展開した後、ほぼ完璧に位置合わせする必要があります。そのためには、極めて高精度のモーターが必要です。これらのモーターはミラーを優しく押すことができ、移動距離はウイルスの幅の半分ほどの精度で、すべてのミラーが所定の位置に取り付けられていることを確認できます。」

「ボール・エアロスペースは、人間の髪の毛の幅のわずか一万分の一にあたる10ナノメートルの精度でミラーを動かすアクチュエーターを提供しています。これらのモーターは『曲げる』という原理で動作し、つまり『大きな動きを小さな動きに変換する』のです。」

「ウェッブ望遠鏡全体の重量は、地上の大型望遠鏡のわずか2%程度です。」

「鏡はベリリウムでできています。ベリリウムは軽くて強くて硬い素材です。粉末状で毒性があり、扱いにくいのですが、唯一使える素材です。粉末はオハイオ州でブロック状に圧縮され、アラバマ州でカットされます。その後、鏡は赤外線を非常によく反射する金でコーティングされます。最後に、このプロジェクトのために特別に建設されたカリフォルニア州の工場で鏡が磨かれます。」

金コーティングレンズ。画像出典: nasa.gov

しかし、これではまだ十分ではありません。

「たとえ地球、月、太陽が宇宙の奥深くまで照射されたとしても、望遠鏡が宇宙の最も遠い構造物のかすかな輝きを検出するには、地球、月、太陽からの放射熱が大きすぎるだろう。」

「ただし、望遠鏡を特定の点、つまり第二ラグランジュ点に向ける場合は別です。その点では、月、地球、太陽がすべて同じ方向を向いています。テニスコートほどの大きさの巨大な日よけを立てれば、望遠鏡でこの3つの天体を同時に遮ることができます。こうすることで、望遠鏡は最終的に極低温状態（-223℃）に入り、宇宙の夜明けのかすかな熱を検知できるようになります。

ラグランジュ点は 5 つあります。観測を確実に行うには、望遠鏡を太陽地球系から離れた第 2 ラグランジュ点 (L2) に配置する必要があります。画像出典: nasa.gov

サンシールドは赤外線望遠鏡の唯一の希望であると同時に、アキレス腱でもある。

「展開時に十分な大きさがあり、ロケットの積載能力を超えないほど重くならないようにするには、サンシールドは薄い布でしか作れません。エンジニアは、薄い布は「不確実」であり、その動きを完全に制御または予測できないことを知っています。展開時にサンシールドが引っかかれば、望遠鏡全体が宇宙ゴミになってしまいます。」

「日よけには、チームはカプトンを選びました。これは、ポテトチップスの袋の内側によく似ていて、直径が人間の髪の毛ほどしかない、滑らかな銀色のプラスチックです。カプトンは破れやすいため、冗長性のために多くの層が必要になり、チームは 5 層を設置することにしました。ブーム、ケーブル、ひもで構成されるシステムにより、5 層すべてが完全に展開、分離、固定されます。」

チーフエンジニアのマイケル・メンツェル氏は、これがいかに困難であったかを語った。「ドアのような硬い物体であれば、蝶番を付ければどのように動くか予測できます。簡単です。しかし、今度は柔らかい毛布を渡されます。毛布をベッドに押し当てて、どんな形になるか予測してみてください。恐ろしいです。ロープでも同じことが起こります。サンシェードをぴんと張っているロープは、何百万通りもの動きをします。さらに悪いことに、無重力状態では、これらの物体は望まない方向へ動いてしまう可能性があります。」

5層に折りたためるサンシェード。画像出典: webbtelescope.org

「2004年頃、NASAのエンジニア2人がメンゼルのオフィスにやって来て、アイデアがあると言いました。そのうちの1人がメンゼルの机から紙を1枚取り、それをZ字型に折りました。サンシールドは、このようなZ字型、つまり「アコーディオン折り」に折りたたむことができました。」メンゼルはそれがうまくいくだろうと考えた。

「次の問題は、展開準備ができるまでサンシェードをアコーディオン状に折りたたんだ状態に保つ方法でした。もう一人のエンジニアであるアンディが解決策を見つけました。猫の爪のように引っ込む 107 本の保持ピンです。」

「ピンは別の厄介な問題を引き起こします。ピンはピンホールを作ります。カプトンの 5 つの層すべてにあるピンホールが、広げた後に一列に並ぶと、太陽光が透過し、望遠鏡の光学系が熱くなります。」

メンゼル氏は「やってみるまで考えもしなかった小さなことだ。なんと、ピンホールを 5 つ並べることも可能なのだ。大したことではないように聞こえるが、アンディは悲しみを紛らわすために酒を飲んだ」と語った。ありがたいことに、彼は後でそれを理解しました。アンディは長い間熱心にテストを重ね、ついに、異なるサイズの 5 層のカプトンサンシェードをどのように広げても、ピンホールが一直線に並ばない解決策を見つけました。 ”

…

小さな問題が次から次へと発生し続けます。その結果、ウェッブ望遠鏡は予定より14年遅れ、予算を20倍も超過した。

打ち上げ前、作品に関わる全員がまだ緊張していました。

ウェッブ望遠鏡は一度きりの取引だからです。

当時、ハッブル望遠鏡は地球からわずか559キロメートル離れた低軌道上にありました。望遠鏡が「近視」状態になったため、宇宙飛行士たちはレンチを手に取って宇宙に飛び、望遠鏡を修理した。

しかし、ウェッブ望遠鏡は私たちから150万キロ離れています。何か問題が起きれば、科学者や技術者は他に選択肢がなく、ただ泣きながら頭を抱えるしかない。

「私たちはバグを見つけるために、あらゆるテストと演習を行うためにできる限りのことをしてきたが、現時点では数十億ドルの望遠鏡を大量の爆発物の上に載せているところだ」と、ノーベル賞受賞の天体物理学者でこのプロジェクトの主任科学者であるジョン・マザー氏は語った。

打ち上げが成功した後、望遠鏡が第2ラグランジュ点に到達するまでには、さらに1か月かかります。途中で、何百ものステップを踏んで鏡とサンシェードを少しずつ広げ、巨大な金メッキの鏡の「花」が、さらに大きなサンシェードの「銀箔」の上に咲きます。

困難な道を歩んだ後、あなたは最終的に星にたどり着くでしょう。

画像出典: webbtelescope.org

この瞬間、ウェッブ望遠鏡は、太陽、月、そして人類すべての生命のぼんやりとした青い点を背後に、暗く冷たい宇宙に静かに浮かんでいます。将来それが持ち帰る情報は、宇宙に関する人類の理解を前進させるか、あるいは覆すことさえあるだろう。

上記は、そのカラー写真の背景にある物語のほんの一部です。