ウェッブはまた「飛び降りる」つもりか？宇宙望遠鏡が打ち上げられるまでの紆余曲折

スピッツァー望遠鏡10周年記念写真。クレジット: NASA

望遠鏡を宇宙に打ち上げるのは、決して簡単なことではありませんでした。最近、NASAはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げ延期を再度発表した。ウェッブの前身であるスピッツァー宇宙望遠鏡（SST）は、当初の構想提案から承認、建設、打ち上げまで、多くの紆余曲折を経てきました。設計は何度も改訂され、30年以上かかりました。

当初の計画では、スピッツァー宇宙望遠鏡は「宇宙船搭載赤外線望遠鏡」(SIRTF、S=シャトル) と呼ばれていましたが、後に「宇宙赤外線望遠鏡」(SIRTF、S=宇宙) に名前が変更されました。打ち上げ前までは正式に「スピッツァー」と命名されていませんでした。

スピッツァー宇宙望遠鏡の名前の変更は、その背後にある歴史を直接反映しています。 1971 年の最初の設計草案では、当時登場したばかりの宇宙船のペイロードの一部として搭載されることが意図されていました。その後12年間、エイムズ研究センターと民間航空会社は、1メートルの宇宙船搭載型宇宙望遠鏡をベースに設計と開発を行ってきました。

1983 年はスピッツァー望遠鏡にとって記念すべき年でした。 NASA は機器の募集を出し、最終的にジョバンニ・ファツィオ、ジム・ハック、ジョージ・リーケが率いる 3 つのチームを選出しました。これら 3 つのグループは後に、近赤外線光度計 IRAC、中赤外線分光計 IRS、中赤外線光度計 MIPS という最終的な端末機器を開発しました。 SIRTF は最初の科学ワーキンググループを結成し、そのメンバーのほとんどは、20 年後にスピッツァー望遠鏡が最終的に打ち上げられるまでプロジェクトに携わり続けました。さまざまな挫折と遅延により、スピッツァー望遠鏡の設計も、当初の宇宙搭載機器からNASAの「大宇宙望遠鏡プロジェクト」の一部へと変更されました。高高度（10万キロメートル）自律飛行航空機の発明と実現により、スピッツァー望遠鏡は極低温液体に浸漬された巨大な宇宙赤外線望遠鏡に再設計され、名称の「シャトル」は「スペース」に変更されました。

スピッツァー望遠鏡 (当時は SIRTF と呼ばれていました) 科学ワーキング グループの最初の会議は、1984 年にエイムズ研究所で開催されました。後列左から、ジョージ ニュートン (NASA プロジェクト マネージャー)、ダン ゲザリ (NASA ゴダード センター)、ネッド ライト、マイケル ジュラ (UCLA)、マイケル ワーナー、フレッド ウィッテボーン (エイムズ研究所)。前列、左から：ジョバンニ・ファツィオ（スミソニアン天体物理学センター）、ジョージ・リーケ（アリゾナ大学）、ナンシー・ボッゲス（NASAプロジェクト科学者）、ジム・ハック（コーネル大学）、フランク・ロー（アリゾナ大学）、テリー・ハーター（コーネル大学）。著作権: Michael Werner

しかし、当初1991年に打ち上げが予定されていたSIRTFは、土壇場で中止された。これは主にハッブル望遠鏡の影響によるものでした（ハッブル望遠鏡の主鏡は宇宙に打ち上げられてすぐに焦点合わせの問題が発生し、宇宙飛行士による多くの船外活動の後、1994年にメンテナンスミッションが完了しました）。このとき、NASAジェット推進研究所のプロジェクトエンジニアであるジョニー・クォックは、1992年に軌道を当初の高高度地球軌道から太陽軌道に変更することを提案しました。これにより、地球から放射される熱が赤外線機器に干渉するのを防ぐだけでなく、望遠鏡の太陽電池パネルが太陽光の角度を一定に保つことができるため、機器の熱安定性が向上します。

それだけでなく、太陽軌道の設計により望遠鏡の観測範囲も広がり、天球の 40% を常時観測できるようになり、深宇宙で繰り返し長時間露光できる条件が整いました。より深い露出により、より暗くより遠い宇宙を観察できるようになり、また空の同じ領域を繰り返し観測することで、時間領域に関連した天文観測も容易になります。この軌道更新提案が提出されると、すぐに天文学界から幅広い支持を得ました。

その後、1993 年の会議で、激しい議論の末、天文学者たちは、当初の「大きくて完全な」設計を「小さくて精巧な」設計に変更し、最も差し迫った科学的問題に答えるために最も重要な機器だけを残すことを決定しました。この原則に基づき、望遠鏡自体のサイズは変わらないという前提で、当初の計画では望遠鏡を液体ヘリウムに完全に浸すというものでした。しかし、室温で打ち上げ、宇宙軌道に到達した後に液体ヘリウムで冷却するという新たな計画に変更され、液体ヘリウムの使用と打ち上げペイロードを大幅に節約できるようになりました。新しい設計では、すべての端末デバイスがしっかりと固定されており、移動する必要がある機器コンポーネントは 1 つだけ (MIPS のスキャン ミラー) になります。変数を最小限に抑えて望遠鏡の成功を確実にするようにしてください。

クリーンルーム実験室で組み立てられた望遠鏡の実際の写真。クレジット: NASA/SSC

すべてのハードウェアの設計は基本的に1996年に完了しました。国立天文台の研究員である黄嘉生氏は、1990年代後半から2000年代初頭にかけてスピッツァー宇宙望遠鏡が打ち上げられる前に、IRAC装置のデバッグに参加しました。彼は逸話を口述した。実験室段階の IRAC 装置には、もともと通常のカメラのようなシャッターが装備されており、露出時間を正確に推定し、暗室条件下で背景を測定することもできました。研究所のテスト結果は非常に良好でした。しかし、IRAC装置が望遠鏡に設置された直後、テスト中にシャッターが誤って故障し、閉じた位置で停止してしまいました。打ち上げ後にこれが起こった場合、それは「達成前の死」を意味し、機器が正常に動作できないことを直接宣言することになります。 IRAC チームは非常に心配し、原因を調査するために 10 人のエンジニアを緊急に招集しました。最終的に、シャッターの故障は金属棒の磁化によって引き起こされていることがわかり、電流の方向を逆にすることで問題を解決しました。それにもかかわらず、NASAは打ち上げの最終段階でリスクを評価した後、シャッターを使用せず、IRACを宇宙空間に「開く」ことで、起こり得るリスクをさらに防ぐことを決定しました。

ソフトウェア面では、カリフォルニア工科大学の赤外線処理・分析センター（IPAC）が、この目的のために特別にスピッツァー宇宙望遠鏡科学センターを設立し、データの処理と分析を担当し、世界中から観測プロジェクトの申請を受け付けています。上記のシャッターに対応する背景の問題は、後データ処理によって推定され、除去されます。同様に、スピッツァー望遠鏡のIRS装置も宇宙に打ち上げられる前に事故が発生した。フィルターに小さな亀裂が生じ、その結果生じた回折縞が観測データの品質に直接影響を及ぼしました。しかし、打ち上げが差し迫っていたため、新しいフィルターを研磨するには遅すぎました。私たちにできるのは、打ち上げ時の推力で亀裂が広がらないように祈ることだけだった。幸いなことに、打ち上げと軌道投入は順調に進み、亀裂は変化しませんでした。データ処理の後の段階では、地上の作業員が回折縞方程式を解くことで、この干渉項がスペクトルに与える影響を効果的に除去しました。

度重なる実証プロセスの中で、当時の SIRTF の競合相手であった欧州宇宙機関 (ESA) の 60 センチメートル級赤外線宇宙観測衛星 ISO が 1995 年に打ち上げられ、1998 年に退役しました。ISO は、それぞれ 2.4 μm ～ 240 μm と 25 μm ～ 197 μm の中赤外線と遠赤外線の画像とスペクトル情報を提供します。スピッツァー望遠鏡の最終的な鏡はわずか85センチメートルで、大きな改良とは言えないが、同時期に受信機から制御システム設計まで急速な技術発展があったため、スピッツァー望遠鏡は当初の設計に比べて検出感度、効率、精度が1桁以上向上した。観測されたネット速度だけから判断すると、1986年から2003年までの速度増加は1,000倍以上です。そのため、同時期の宇宙赤外線望遠鏡の中で、スピッツァー望遠鏡は最初に開発され、その後に製造されたにもかかわらず、その科学的発見、特に銀河宇宙論における発見は、競合他社のそれをはるかに上回り、最初に設計されたときの想像さえも超えるものでした。スピッツァー望遠鏡に関係する天文学者たちでさえ、30年間の長い待ち時間と忍耐について後に言及した際、「安心してください。ムーアの法則がほとんどの問題の解決に役立ちます」とよく言っていました。

スピッツァー望遠鏡は 1990 年代初頭から最終打ち上げまでに設計変更が行われ、主に装置のサイズが変更されました。望遠鏡の予想寿命とサイズは基本的に変更されませんでしたが、予算と装置の重量は大幅に削減されました。出典: Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/ More Things in the Heavens (Princeton Press)

設計当初は「小型で精密」であることに重点が置かれていましたが、スピッツァー望遠鏡の強力な赤外線観測能力により、太陽系、惑星形成、太陽系外惑星から恒星や星雲、銀河、宇宙論まで、カバーされる科学は無限であり、宇宙に対する私たちの理解を直接的に新たなレベルに引き上げています。大麦雲のセフェイド変光星と宇宙の膨張速度をより正確に測定しました。 HSTと共同で、再電離期（ビッグバンから6億5000万年後）の初期宇宙の銀河の質量と年齢を検出しました。塵の温度と放射線を検出することで、宇宙の老化に伴う星形成の歴史を記録し、ビッグバンから30億年後（赤方偏移2〜3）に宇宙の成長（星形成）のピークに達し、その後100億年間は下降傾向にあったことを発見しました。初期宇宙には多くの銀河団が存在していたことが発見されました。これは宇宙の大規模構造と進化を理解する上で非常に重要です。さらに、スピッツァー望遠鏡は、塵を多く含む活動銀河核も多数発見しました。活動銀河核は、周囲の物質を猛烈に吸収している銀河の中心にある超大質量ブラックホールを表しており、そのほとんどは塵に遮られて光学的に見ることが困難です。

天の川銀河では、スピッツァー望遠鏡が雲の中の若い星の形成を観測し、褐色矮星の周囲に惑星形成の痕跡と原始惑星系円盤を発見した。これらの中には、地球に最も近い太陽系外惑星があるかもしれません。スピッツァー望遠鏡は、その寿命全体を通じて、特に「サーマルモード」で稼働していた10年以上の間、地球近傍小惑星、太陽系内の彗星、太陽系外の惑星系の特定と観測に重点を置いていました。最も有名なのは、地球サイズの惑星を7つ持つトラピスト1系の発見です。これらの太陽系外惑星系の中には、私たちの太陽系と非常によく似ているものが多くあります。一方で、これは私たちの太陽系自体が構造や構成の点で特別なものではないことを証明しています。一方で、地球外に存在する可能性のある生命体や生息環境を探索するための方向性も示しています。

スピッツァー望遠鏡によって発見された TRAPPIST-1 系の想像図には、地球から約 40 光年離れた超低温赤色矮星 TRAPPIST-1 と、その周囲を 7 つの地球サイズの惑星が取り囲んでいる様子が描かれている。星からの距離が増すにつれて、水は過度の熱によって蒸発するか（図では水蒸気として表示）、過度の冷却によって氷に凝縮します。適切な中間距離では、水は液体の形で存在できます。この範囲は生命の生存に適していると考えられており、「居住可能領域」と呼ばれています。著作権 / NASA / JPL-Caltech / R.Hurt (IPAC)

スピッツァー望遠鏡は当初5年間稼働する予定だったが、冷媒は2.5年しか稼働しないように設計されていた。実際、元の液体ヘリウムスープの設計と比較すると、機器の加熱と自然な温度上昇によって引き起こされる液体ヘリウムの蒸発は十分に制御されています。スピッツァー望遠鏡は、作業に必要な低温（5ケルビン、摂氏-268度）の「コールドモード」で合計6年間稼働してきました。冷媒が消費された後も、スピッツァー望遠鏡は機器自身の放射線を利用して冷却する「熱モード」で10年以上稼働し続けた。システム温度の上昇によりノイズが増大したため、システムは「ホット モード」に入り、IRS と MIPS が動作を停止しました。残りの 3.6 ミクロンおよび 4.5 ミクロンの IRAC は、資金が枯渇したため正式に廃止された 2020 年 1 月 31 日まで、長年にわたって好調を維持しました。宇宙船は合計16年4か月間軌道上に留まり、当初設計された5年間の稼働期間を大幅に上回った。

——中国国家天文学2021年11月号より抜粋

著者について/

戴宇氏は中国国家天文台の研究者です。彼の研究分野は銀河の形成と進化のマルチバンド観測です。

「中国国家天文学」11月号

編集者/淮珍 歓

中国国家天文

中国国家天文学

WeChat ID: chineseastronomy

「中国国家天文」誌は、国家天文台が後援しています。

この雑誌は一般の方を対象としており、科学的、文化的、芸術的、収集価値のある天文学コンテンツと文化生活を提供します。