世界最大の光学望遠鏡に使う直径8.4mもの「巨大な鏡」は、いかにつくられるのか──その生産現場に潜入
アリゾナ大学ミラーラボの建物はとても地味だ。正式名称「リチャード・F・ケリス・ミラーラボ」は大きな建物ではあるが、5万6,000人を収容できる巨大なフットボールスタジアムの裏にあり、その影に隠れてしまう。
ラボの屋根の上には、八角形のコンクリートでできた独特の外見をもつ塔がある。大学のロゴが飾られたこの部分さえ、隣接するスタジアムの一部のように見えてしまう。しかしそこには、ラボの最も重要な機器のいくつかが収まっているのだ。
ラボの内部には、狭い蛍光グリーンの螺旋階段が、5階上の塔の入り口へと伸びている。あと数段でのぼり終えようとしたとき、ラボの管理を担うスチュアート・ワインバーガーは、「ポケットのなかにあるものをすべて取り出しましたか」と3度目の質問をしてきた。
「眼鏡、鍵、ペン。鏡を傷つける可能性があるものはすべてです」と彼は言った。そしてようやく、ワインバーガーは直径約8.4mの鏡の25mほど上に設置された狭い通路へ行くことを許可してくれた。その鏡には、製作にほぼ6年の歳月と2,000万ドル（約22.5億円）が投入されている。
「このラボで働く職員のほとんどが、ここにのぼることさえ許されないのです」と彼は説明する。本当に何も入っていないのだが、ワインバーガーがポケットの中身に神経質になるのも、カメラを短めのひもで手首に結びつけさせたのもうなずける。
ミラーラボのテスト塔最上階から見下ろしたGMT第2鏡。PHOTOGRAPH BY ROBBIE GONZALEZ
銀河やブラックホールの光子の捕捉から、地球外生命探査まで
眼下に見える巨大なガラスのディスクは将来、巨大マゼラン望遠鏡（GMT）を構成することになる7つの鏡のひとつだ。チリのアタカマ砂漠にあるラスカンパナス天文台に設置されるGMTは、2025年に稼働すれば世界最大の光学望遠鏡になる。
ひとつの重量がおよそ17トンに及ぶ鏡は、対称形の鏡を中心として非対称形の6つの鏡が取り巻く花弁のようなかたちに組み合わされる。合成有効口径は、既存の最大光学望遠鏡の2倍となる約24.5m。開口面積も、テニスのシングルコート2面分に匹敵する370平方メートルに達する。
ハッブル宇宙望遠鏡の10倍となる分解能を備えるGMTは、宇宙の辺境にある銀河やブラックホールから発せられた光子の捕捉と検出、恒星の生成と周回軌道環境の研究、そして生命居住可能領域（ハビタブルゾーン）にある惑星の大気中における地球外生命の探査などを行うために設計されている。
だが、GMTがこうした観測を行うには、ミラーラボで鏡の製作に取り組む科学者やエンジニアたちがまず、巨大だが精密なガラスの厚板を製造する必要がある。そして、その取り組みが途方もない難題だということは、想像に難くないだろう。
超緻密で巨大な「鏡」をつくるという難題
塔から降りてくると、ミラーラボのディレクターを務めるジェフ・キングスレーは「作業には、これまでで最も難しいいくつかの製造工程が待ち受けています。これらの鏡は軸外しであり、非球面であり、巨大で、超精密な代物です。わたしたちは鏡ひとつにつき、着工から完成までを4年でこなすことを目指しています」と説明する。
だが、最初に手がけた鏡には10年近くの時間がかかっている。すでに説明した第2鏡は12年1月に製作を開始したが、19年までは完成しないだろう。
GMT第5鏡用を作成するために金型に置かれたガラスブロックについて、ミラーラボのスタッフが最後の総点検を行っている。加熱を始める前にガラスブロック同士の間隔が適正かを確認している。PHOTOGRAPH COURTESY OF GMT/GMTO CORPORATION
ミラーラボは現在、それぞれ異なる製作段階にある複数のGMTの鏡を収納している。そのなかでも最後に着手した鏡は、ちょうど今週に入って最も骨の折れる作業を始めたばかりだ。
製造の最初のステップは、E6ホウケイ酸ガラスのブロックを、巨大な炉に一つひとつ手作業で敷き詰めることだ。これらのブロックは、総計で20トンになる（以下の動画）。内部は1,700本の六角形の柱がハチの巣状の型をなしており、この敷設だけで半年かかっている。
VIDEO COURTESY OF GMT
炉は数日掛けて約1,150℃まで熱せられながら、回転する（回転速度も次第に速められ、毎分5回転近くまでになる）。液状に溶けたガラスがハチの巣の隙間に流れ込み、回転の遠心力で型の外側へと押し出されることで、鏡は凹形になっていく。
炉が室温に戻るまで3カ月かかる。スタッフは鏡を取り出し、垂直に立てかける。臨時に設置されたエレヴェーターの助けを借りながら、高圧洗浄機で汚れを取るのだ。
「わたしたちはまさに洗車機のブラシをつかって汚れを吹き飛ばしています。鉱山学部の大学院生が手伝いに来てくれて、ガラスの洗浄用に最適化してくれています」とキングスレーは説明する。
その後、鏡は裏返しにされてエアーポンプ式の巨大ホヴァークラフトに載せられ、2台の研磨機が設置されている設備中央のスペースに運ばれる。これらの研磨機により、鏡の裏面から約0.5cmのガラスが削られる。
研磨が終わると、鏡の裏面に165個の荷重スプレッダーが取り付けられる。アタカマ砂漠で天文台建設が着工されるときには、これらの荷重スプレッダーにアクチュエーターが装着されることになる。
鏡の裏面にある不完全な部分を削り取り、研磨していく。VIDEO BY ROBBIE GONZALEZ
次に、鏡を再度ひっくり返して表側を上にすると、困難な作業が待ち受けている。
GMTを構成する鏡のうち、外側を取り囲む花弁部分の6つの鏡は、すべていびつな形状をしている。これら6つの鏡の輪郭は、ちょうどポテトチップスの「プリングルズ」のように湾曲している。肉眼で判断することは不可能なほどの湾曲であり、成型には大変な労力がいる。
「光の波長と鏡の直径という基礎的な物理学的数値だけによって望遠鏡をつくりたいのです。表面の歪みは問題になります」と語るのは、ミラーラボの研削および研磨作業を監督する、光学科学者のバディー・マーチンだ。その「歪み」とは、20ナノメートル以上の不均一性を指している。これは小さなウイルス程度の大きさだ。だが、鏡が型から取り出されたときの歪みは1mmかそれ以上の大きさで計測できる。
粗加工処理が行われる結果、こうした歪みは20ミクロン以内までにならされる。これは人間の毛髪の約4分の1にあたるが、このレヴェルのエラーは依然として、彼らが求めている精度を1,000倍も上回っている。
そこで、ミラーラボのてっぺんにある塔の出番だ。あの高い場所にある足場に取り付けられた先端部分は、こうした1ミクロン未満の歪みの計測ができるメジャーのような働きをするレーザーや干渉計の一部を構成している。計測処理はとても緻密な作業なので、建物の振動の影響を排除するために、鏡は空気圧式システムの上に設置される必要がある。
「フットボールスタジアム、隣接する道路のクルマの往来、病院へ向かうヘリコプターからの振動などが問題になります。そこに立っている人には感知できないレヴェルですが、計測処理はとても繊細な作業なのです」とマーチンは説明する。
テスト塔内の各種センサーは、鏡面の地形図を作成する。そして、その地形図データをインプットされた研磨機が、鏡面上にあるすべてのわずかな出っ張りを削り取るのだ。
だが、それは一度にまとめてできるわけではない。鏡は1年以上の時間をかけて、稼働時に表面の歪みが100万分の1インチ以下に収まるほど滑らかになるまで、テスト塔と研磨台を何度も往復する。
完成まで、まだまだ時間がかかりそう
その工程を終えて初めて、鏡はミラーラボから搬出されることが許可される。GMTの第1陣は17年9月にミラーラボから送り出された。これからやってくる残りの鏡たちの原料にスペースを開けるためだ。
完成して搬出された鏡は、ツーソン国際空港近くの臨時保管施設に格納され、アタカマ砂漠への搬出を待っている。アタカマ砂漠で設置されたあと、厚さ100ナノメートルのアルミニウムコーティングが施される。それでやっと、総計20トンに上る大量のガラスブロックから、宇宙深部を精査する光学望遠鏡の反射面になる長い長い旅が終わるのだ。
マーチンは言う。「わたしたちがここでつくっているのは鏡ではない、と言ってもいいかもしれません。ここでつくっているのは、（鏡になる前の）いくつかの巨大なガラスの塊にすぎないのです」
巨大マゼラン望遠鏡の完成予想図。IMAGE COURTESY OF GMT/GMTO CORPORATION
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