US$110億のJWST(ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡)が打ち上げられる。

2021年12月11日 19:19

Nature Briefingは2021年12月08日に、世界中の多くの天文学者が待ちきれないNASAのハッブルの後継機(Hubble’s successor)として開発されたJWST(James Webb Space Telescope/ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡)は、NASA、ESA(European Space Agency/欧州宇宙機関)、CSA(Canadian Space Agency/カナダ宇宙庁)が共同で開発し、構想から30年を経て、ついに2021年12月22日までにフランス領ギアナのクールーにある発射台から打ち上げられる予定になった。

https://time-az.com/main/detail/75797

  カナダのモントリオールにあるマギル大学の大学院生で宇宙物理学者リサ・ダン(Lisa Dang, an astrophysicist and graduate student at McGill University in Montreal, Canada)は、JWSTを使って、太陽系外の「K2-141b」と呼ばれるこの惑星は、表面の一部が溶けた岩石になっているほど高温の惑星で、彼女は、2021年03月に望遠鏡での観測時間を獲得したことを知った数十人の天文学者の一人として、惑星を観測することになった。

この野心的で複雑な宇宙観測所の計画を始めたとき、リサ・ダンはまだ生まれてもいなかった。

もし、計画通りに進めば、これまで見たこともないような遠い銀河や、遠い惑星の大気、塵に包まれた星形成領域の心臓部などの宇宙現象を見ることができ、天文学を塗り替えることになる。この望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡)Hubble Space Telescope_の約100倍の性能を持ち、宇宙理解を大きく変え、これまで隠されていた宇宙の姿を明らかにする。

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者で、JWSTの運用プロジェクトサイエンティストを務めるジェーン・リグビー(Jane Rigby, an astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland)は、「JWSTは非常に革新的な能力を持っているので、私にとっては『前』の時代と『後』の時代になるでしょう」と述べている。

しかし、もし何か問題が起きれば、歴史上最も高価な天文学的ギャンブルの不名誉な後退となる。望遠鏡の開発には数十年の歳月とUS$100億以上の費用がかかり、度重なる延期によってNASAの天体物理学予算は何度も削られてきた。今年に入ってからは、1960年代にNASAの職員が同性愛者であることを疑われて解雇された際にNASAを率いたジェームズ・ウェッブ(James Webb)にちなんで、望遠鏡の名前を残すべきかどうかという論争に巻き込まれている。
ジェームズ・ウェッブはまた、1940年代後半から1950年代前半にかけて米国国務省の要職に就いていたが、その頃、同省ではゲイやレズビアンの人たちを性的指向を理由に組織的に根絶やしにして解雇していたという不名誉で、馬鹿げた歴史がある。

天文学者であり、ワシントンDCにある天文学研究のための大学協会の科学担当副会長であり、ウェッブの開発に何十年も携わってきたハイディ・ハンメル(Heidi Hammel, an astronomer and vice-president for science at the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington DC, who has worked on Webb for decades)は、「何度も延期され、何度も議論されてきた望遠鏡の打ち上げには、世界中の何千人もの天文学者の希望が込められています。」「このような大きな出来事の入り口に立つことは、人生の中でそう多くはありません。様々な感情があります。」と述べている。

私も「マルチメディア・インターネット事典」を作り始めた頃から、30年が過ぎ、ほぼ一緒に生きてきた。
NASAが公開したJWSTの最初のペーパークラフトのPDFも手元にある。しかし、もう、誰もこのPDFは持っていないだろう。

1989年、メリーランド州ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所(Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland)で行われたワークショップで、後のウェッブの原型が生まれた。
ハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられる前年のことで、科学者たちは、この革新的な観測装置に続くものを考えていた。
ハッブル宇宙望遠鏡の約3倍の大きさである幅6.5mの主鏡を、18個の六角形のセグメントで構成する宇宙望遠鏡の計画が、最終的に決定された。あまりにも大きいので、打ち上げ時には折り紙のように折りたたんで、宇宙に出たら広げなければならない。鏡を覆うのは、テニスコートほどの大きさのキット型の日除けで、5層のアルミコーティングが施されており、太陽の熱を遮断して望遠鏡が動作するのに十分な温度を保つようになっている。

ウェッブの総費用は当初US$10億と見積もられていたが、当時はまだほとんど信じられていなかったが、その後膨れ上がった。NASAが宇宙での運用費を含めてUS$97億、ESAが€7億(US$8億1000万)、CSAがC$(カナダドル)2億(US$1億6000万)を拠出した。このように、プロジェクトの費用が急増したため、政府の監査官からは厳しい指摘を受け、また、前例のない価格に見合うだけの価値があるのかどうか、長年にわたって疑問視されていた。「ある分野で真に変革を起こすためには、必要なツールを構築しなければなりません。」「そのためには、これだけの費用が必要なのです。」とハンメルは言う。

度重なるキャンセルや設計変更に悩まされながらも、世界中の研究室でようやく形になった望遠鏡は、ゴダードで組み立てられた。その後、カリフォルニア州レドンドビーチにあるノースロップ・グラマン・エアロスペース・システムズ(Northrop Grumman Aerospace Systems in Redondo Beach, California)社で他の観測装置と結合された。その際、推進弁の洗浄に使う溶剤を間違えて破損させてしまい、さらにトラブルに見舞われた。その後、テスト中にネジが緩んでしまった。

構想から32年を経て、ウェッブはいよいよ打ち上げに向けてクールーの宇宙基地(Kourou in preparation for launch)に設置された。ウェッブは地球から150万km離れた宇宙空間に向けて打ち上げられるが、宇宙飛行士が訪れて何かあったときに望遠鏡を修理するにはあまりにも遠い場所である。ハッブルは1993年に打ち上げ後の修理が必要となり、宇宙飛行士がスペースシャトルを使って地球周回中の天文台に行き、不適切に設置されていた主鏡の補正光学系を取り付けた。
ウェッブは、それができない。

打ち上げが成功すれば、ウェッブはハッブルが見ることのできない近赤外から中赤外までの波長で宇宙を探査することになる。つまり、遠くの銀河から届いた光が、宇宙の膨張によって赤みを帯びた波長に引き伸ばされていく様子を調べることができる。また、波長の短い光では見えにくい、星形成領域を包む塵や、星と星の間のガスも調べることができる。ハッブルと同様に、天体のスペクトルを取ることができる。つまり、天体の光を成分ごとに分けて、何でできているかを調べることができる。

地上での赤外線天文観測は、地球の大気が邪魔する。2009年から2013年まで運用されていたESAのハーシェル宇宙望遠鏡(Herschel Space Observatory)のように、宇宙を赤外線で観測する望遠鏡はこれまでにもあった。しかし、ウェブの巨大な鏡と一連の高感度機器（「New eye in the sky」参照）は、これまでの赤外線宇宙望遠鏡を凌駕する発見をもたらすだろうと科学者たちは述べている。ニューヨーク州ロチェスター工科大学の天文学者であるジェイハン・カルタルテペ(Jeyhan Kartaltepe, an astronomer at the Rochester Institute of Technology in New York)は、「天文学の多くの分野で、我々が知っていることの多くを変えることになるでしょう。」と語っている。

ウェッブは淡い赤色の天体を捉えることができるため、138億年前に宇宙が誕生した後に最初にできた星や銀河を観測することができる。現在、地球から134億光年の距離にある「GN-z11」と呼ばれる地味な銀河が持っている、これまでに観測された最も遠い銀河の記録を、ウェッブが打ち破ることはほぼ確実である。

しかし、ある大規模な研究では、満月3つ分の大きさの空の領域を対象とし、そこに50万個の銀河を捉えることを目指している。COSMOS-Webbと呼ばれるこの調査は、現在進行中のプロジェクトで、ほぼすべての主要な地上および宇宙望遠鏡を使って、天の赤道に沿って北半球と南半球の両方から見える同じ空の領域を調査している。ウェッブは、この領域を200時間以上にわたって観測する。これは、観測所で最初の年の最大のプロジェクトであり、天文学者が発見を得るための豊富なデータセットを作成することになる。ウェッブの赤外線観測では、例えば、ビッグバンから約40万年後から10億年後までの、最初の星や銀河が宇宙を照らし出した時期を調べる。これは宇宙再イオン化時代(the cosmic reionization era)と呼ばれ、現在の銀河が進化するための舞台となった時代である。COSMOS-Webbの共同研究者であるカルタルテペ(Kartaltepe, who co-leads COSMOS-Webb)は、「この時代については、わからないことがたくさんあります.」と言う。

遠く離れた天体を観測することで、最初の星がどのようにして銀河に集まったのか、その銀河がどのように進化していったのか、といった疑問に答えることができる。初期宇宙での銀河形成の様子をより詳しく知ることは、現代の宇宙がどのようにして生まれたのかを理解するのに役立つ。  オランダ・ライデン天文台の天文学者であるマリスカ・クリーク(Mariska Kriek, an astronomer at Leiden Observatory in the Netherlands)は、ウェッブを使って、星が形成されていない遠方の銀河を調べることを計画している。この観測によって、銀河の中の星の化学組成や、星が移動する速度が明らかになる。これらのデータは、銀河の歴史のある時点で、なぜ、どのようにして星の形成が止まったのかという謎を解明するのに役立つ。「私たちは、非常に微弱な信号を探しています。」「ジェームズ・ウェッブが切り開いてくれるのは、まさにこの点なのです」という。

星や銀河を見ていないとき、ウェッブは多くの時間を惑星の観測に費やす。特に太陽系外で発見された何千もの惑星で、惑星が恒星の表面をすり抜け、恒星の光が惑星の大気を一瞬だけ照らす様子を見ることができる。ウェッブのスペクトル分析は、惑星の大気の組成をこれまで以上に詳細に明らかにすることができる。天文学者たちは、生命を育む条件を示すメタンや水などの分子を見つけることに特に熱心である。ウェッブの初年度は、「TRAPPIST-1」という星の周りを回っている7つの地球サイズの惑星など、最も有名な太陽系外惑星を調査する。

リサ・ダンは、ウェッブを使っていくつかの太陽系外惑星を観測する予定だが、彼女が率いるプロジェクトでは、地球のわずか1.5倍の大きさで、恒星の近くを回っているため、その一部が溶けている「K2-141b」という惑星を調査する。
「K2-141b」は、地球のわずか1.5倍の大きさで、恒星に非常に接近しているため、一部が溶けている。ウェッブの赤外線ビジョンは、「K2-141b」の大気中にある表面から蒸発した鉱物を検出するかもしれないし、観測所は惑星全体の温度をマッピングするかもしれない。「ウェッブは、これまでなかった太陽系外惑星の科学に多くの道を開いてくれます。」とダンは言う。

宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者であるネストル・エスピノザ(Néstor Espinoza, an astronomer at the Space Telescope Science Institute)は、ウェッブの開発と建設の度重なる遅れは、実際には太陽系外惑星の科学者たちにとって有利に働いたと言う。
一時、ウェッブの打ち上げは2011年に予定されていたが、天文学者が太陽系外惑星の周囲に初めて大気が存在することを確認したのは2005年であった。ウェッブの打ち上げが遅れたことで、太陽系外惑星の大気の研究に適した観測装置を調整する時間ができた。「JWSTが2011年に打ち上げられた場合よりも、今の方がはるかに準備が整っています」とエスピノザは言う。

ウェッブは、ガス惑星や、これまでに発見された太陽系外惑星の中で最も一般的な、地球よりも大きく海王星よりも小さいタイプの惑星など、幅広い太陽系外惑星を対象としている。

身近なところでは、ウェッブにはたくさんの天体がある。天文学者たちは、ウェッブの幅広い波長を利用して、太陽系の住人たちのこれまで見られなかった詳細を明らかにしたいと考えている。例えば、冥王星付近の軌道にある氷の世界の色や表面の化学的性質を調べることで、太陽系の起源の秘密が明らかになるかもしれない。ハンメル(Hammel)教授らは、この望遠鏡を使って、氷惑星である海王星と天王星の上層大気の研究を計画している。上層大気の化学組成は、赤外線で最もよく見える。上層大気の研究と、他の望遠鏡で別の波長で観測された下層大気の研究をリンクさせることで、惑星の大気がどのように振る舞っているかを3Dで把握することができる。これにより、太陽系外の同じような巨大惑星の仕組みを明らかにすることができる。

科学者の中には、今回の延期にメリットを見出す人もいるが、それ以上に、ウェッブの開発に多くの問題があったとして、NASAとその請負業者を批判する人も少なくない。2001年に発表された米国天文学のロードマップでは、ウェッブは強く支持されていたが、NASAは特に2002年から2008年にかけて、サンシールドなど、このような複雑な観測装置に必要な多くの技術を開発するのに苦労した。2010年に行われた独立審査会(independent review)では、NASAが必要な時間と費用を過小評価していたことが大きな問題であったと指摘されている。「その結果、予算内では実行できないプロジェクトになってしまった」と結論づけている。

これを受けて、NASAはプロジェクトの管理を再構築したが、2018年には別の独立機関によるレビューで、NASAの監督が不十分であると再び非難された。
コストはさらにUS$8億増加すると予測され、打ち上げは1年近く延期された。その後、ノースロップ・グラマン(Northrop Grumman)社の問題やCOVID-19パンデミックに起因する課題のために、さらに延期された。
2021年に入ってからは、望遠鏡の名称をめぐる論争が勃発した。
NASAは2021年10月に、ジェームズ・ウェッブの行動に関する歴史的な調査を受けて、名称を変更する予定はないと発表した。しかし、多くの天文学者は、その調査の範囲についてNASAが公開した限られた情報に不満を示していた。

そして、12月18日の打ち上げ予定日まで1ヶ月を切ったところで、ウェッブはまた新たなハードルにぶつかってしまった。クルーの施設で、望遠鏡をロケットに固定しているバンドが突然外れ、振動が発生した。NASAが調査した結果、この振動による損傷はないと判断された。

ウェッブがいよいよ離陸すると、常に危険を伴う手順を踏むことになるが、望遠鏡には慎重に準備された6ヶ月間のイベントが待ち受けている。そのイベントとは、まずサンシールドを展開し、次に主鏡と副鏡を展開する。
望遠鏡は、L2(the second Lagrange point/第2ラグランジュポイント)と呼ばれる重力的に安定した宇宙空間の点を周回する最終軌道に向かって、冷却を開始する。この軌道では、地球を背にして常に太陽から遠ざかる方向を向いているため、太陽シールドによって冷却されながら遠くの天体を見ることができる。

その後、鏡と望遠鏡の光学系の同期・調整に2カ月、機器の校正に1カ月を要する。すべてが順調に進めば、2022年06月には、ウェッブはようやく科学的な観測ができるようになる。

天文学者たちは、次のステップを慎重に計画している。カルタルテペは、「私たちはすぐに着手し、迅速に作業を進めなければなりません」と語る。最初に行うのは、「早期公開」と呼ばれる一連の観測である。その内容は秘密だが、おそらく、望遠鏡の性能を示すために選ばれた、驚くべき画像の数々が含まれると考えられる。その後、一連の一般的な観測が行われ、そのデータはNASAがすぐに天文学者のコミュニティに公開する。その一つが、激しい銀河の衝突によって形成された赤外線銀河の観測になる。このプロジェクトに携わるカリフォルニア大学アーバイン校の天文学者、ビビアン・U(Vivian U, an astronomer at the University of California, Irvine)は、「私たちは、JWSTからどのようなデータが送られてくるのか、またそのデータをどのように分析するのかを見るための最初のモルモットです。」「私は巨人の肩の上に立っているのだと実感しています。」と語る。

ウェッブの観測装置を作るために何年も費やした天文学者には観測時間が保証され、ハンメルを含む6人の科学者には学際的な研究を行うことが求められている。その後、研究代表者によるプロポーザルが行われる。ヨーロッパの天文学者には15％以上、カナダの天文学者には5％以上の観測時間が保証されるが、これはそれぞれの宇宙機関がウェッブに貢献したことによるものである。提案は、審査員と提案者がお互いの名前を知らない二重匿名査読を用いて評価される。これは、望遠鏡の使用時間を割り当てる際のジェンダーバイアスを軽減する効果があることが示されている。

ウェッブの運用期間は少なくとも5年、おそらく10年になると予想されているが、その寿命は宇宙での自転のために使用する燃料の量によって決まる。その一方で、老朽化したハッブルは足を引っ張り続けている。ハッブルは2009年に宇宙飛行士によって最後のアップグレードが行われたが、それ以来、徐々に劣化している。
2021年06月にはコンピュータが故障してオフラインになり、エンジニアはバックアップシステムに切り替えてから2021年07月に再稼働させた。ハッブルの科学機器も、2021年10月に内部通信の問題で停止した。2021年12月初旬にエンジニアがすべての機器の動作を回復させた。

ハッブルから発見のバトンを受け継いだウェッブを、天文学者は待ち望んでいた。クリークは、「私は、まだ知られていないことに最も期待しています。」と語る。

Nature 600, 208-212 (2021)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-03620-1

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