目的地に到着した史上最大の宇宙望遠鏡、本格稼働に向けて進む準備の舞台裏

2022年3月2日 18時0分

史上最大の宇宙望遠鏡であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は2021年のクリスマス、地球から100万マイル（約160万km）のかなたに向けて打ち上げられた。科学技術の粋を集めたこの望遠鏡は、22年の夏にはかつて誰も見たことのない宇宙の景色を次々と撮影し始めるだろう。

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しかし、それまで米国をはじめ欧州やカナダで働く米航空宇宙局（NASA）の研究員たちは、激務を強いられることになる。この高性能かつ高価な望遠鏡に付属する機器類の準備を整え、極小の惑星から遠く離れた銀河星雲に至るすべてのデータを間違いなく収集できるようにするには、いくつものプロセスを経なければならないからだ。

「万事ほぼ予定通りに進んでいますが、今後6カ月は特に忙しくなりそうです。やるべきことが山ほどあるのですから」と、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダード宇宙飛行センターでJWSTシニア・プロジェクト・サイエンティストを務めるジョン・マザーは言う。

とはいえ、最大の難所はすでに越えたと言っていいだろう。打ち上げは無事に完了し、それから約2週間かけて太陽や月、地球からの熱や光をさえぎる巨大なカイト型の太陽シールドがゆっくりと展開され、六角形のミラー18枚すべてが所定の場所に配置されたからだ。

「興奮を抑えきれません。最初の1カ月はハラハラし通しでしたが、幸いその後の展開は非常にスムーズでした」と、カリフォルニア州パサディナにあるNASAのジェット推進研究所（JPL）でJWSTの中赤外線機器（MIRI）担当プロジェクトマネジャーを務めるアナリン・シュナイダーは語る。

目指すは20年間の長期稼働

打ち上げ後、JWSTは太陽と地球の重力がつり合う特殊な地点であるラグランジュ点（L2）を目指して飛行を続けた。ほかにも欧州宇宙機関（ESA）のプランク宇宙望遠鏡をはじめとするいくつかの宇宙船が、このラグランジュ点に向けて打ち上げられている。

重力に逆らいながら宇宙船をこの地点に固定しておくことは、まるでさかさまにしたボウルの上に丸い球を乗せてバランスをとるように難しい。JWSTが絶えずL2から離れてしまうので、数週間おきに少量の燃料を爆発させ、その勢いで元の位置に戻してやる必要があるのだ。

だが、NASAの科学者たちの巧みな操縦によって飛行中の消費を節約できたおかげで、燃料は十分に残っているとみられる。現在JWSTのチームは、この望遠鏡が当初計画されていた5年から10年のミッション期間よりもかなり長く、場合によっては先輩格のハッブル宇宙望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡に並ぶほど長期にわたり稼働してくれるのではないかと期待している。

「JWSTの寿命はおそらく20年ほどでしょう。すべてはこの不安定な“宇宙船”をいかに上手に操縦できるかにかかっています」と、マザーは言う。

いまやJWSTは、宇宙のかなたにある。このためマザーやシュナイダーをはじめとするチームのメンバーたちは、JPLの管理下にある国際的な巨大アンテナ群「ディープスペースネットワーク」を通じてJWSTと交信しなければならない。

コマンドを入力したプログラマーが宇宙船からの応答を待つ間、送られた信号は例えばカリフォルニア州のモハーヴェ砂漠やオーストラリア東部に設置されたアンテナを経由して伝えられることになる。そこには距離の長さによるわずかな遅れが生じるはずだ。

「何か大変なことが起きても、5秒間は誰にもわからないわけです」と、マザーは言う。これでも宇宙への通信時間としてはかなり短いほうだ。例えば、火星探査機「パーサヴィアランス」への通信には、5～20分の遅れが避けられない。

新しい惑星を発見につながるか

すべての準備が整ったいま、JWSTのチームは機器類を「試運転」する過程に入ったとシュナイダーは説明する。複雑な構造のカメラや赤外線探知機をセッティングしたり、各装置が正しく動作するか確認したりといった作業を開始しているわけだ。

2月の初めには近赤外線カメラ（NIRCam）の1次テストが実施され、カメラがフォトン（光子）を捉える様子が確認された。実際の画像撮影はまだ始まっていないが、滑り出しは順調だ。いずれ科学者たちはNIRCamを使って新しい惑星を発見したり、別の銀河系の誕生を目撃したりすることになるだろう。

試験画像として過去に撮影実績のある周辺の星々などを実際に撮影できるようになっても、最初のうちは被写体がぼやけたり焦点がずれたりするはずだ。しかし、これは正常な現象だという。JWSTのチームはテスト撮影を繰り返しながら、鮮明な画像を得られるまで少しずつ望遠鏡とミラーの位置を調整していくという。

主に可視光の波長で宇宙の様子を撮影するハッブル宇宙望遠鏡のカメラとは異なり、JWSTのカメラは赤外線に反応する。このため宇宙の誕生期を探ったり、ガスや塵の奥まで撮影したりといったことも可能になるはずだ。

一方で、赤外線の熱は基本的に放射によって伝わるので、赤外線探知機がほかの熱源、つまり太陽や宇宙船自体が発する熱の影響を受けることはない。JWSTが備える3つの近赤外線装置は華氏マイナス389度（マイナス233.9℃）程度に冷却する必要があるが、中赤外線を利用するMIRIについてはさらに低い華氏マイナス447度（マイナス266.1℃）、つまり絶対零度（マイナス273.15℃）に近い低温まで冷やさなければならない。

将来的にはMIRIを使って星々の生まれた場所を探ることも可能になるだろう。またMIRIのカメラと分光器を併用し、光に含まれるすべての色を虹の各色のように一つひとつ分析できるようになれば、水や二酸化炭素、メタンの存在を示す証拠を見つけることもできるかもしれない。

地球上に普通にあるこれらの物質は、生命の維持に適した場所がほかにも存在する可能性を示すものだ。NIRCamの赤外線探知機は、ほかの装置よりやや高温にも耐えるが、確実に作動させるには搭載されている赤外線装置すべてを極度の低温に冷却する必要がある。

機器の冷却より難しい問題

太陽シールドに守られた3つの近赤外線装置は、自らが発する熱を宇宙空間に放出しながら、地球のいかなる場所より数百℃も低い宇宙の温度を利用して冷却することになる。しかしMIRIについては、技術者たちが設計した「クライオクーラー」と呼ばれる特殊な装置を使ってさらに低温まで冷やさなくてはならない。

「クライオクーラーは基本的に4層からなる冷却装置で、各層が次の層を冷却する仕組みです。耐用年限のある部品は使われていません。ソーラーパネルから電力を得られる限り、期待通りに稼働し続けてくれるはずです」とクライオクーラーのスペシャリストとしてJPLに勤務するコンスタンティン・ペナネンは語る。

この点は、機材の冷却を液体ヘリウムに頼っていたスピッツァー宇宙望遠鏡にはない強みである。09年に液体ヘリウムを使い果たした後も、NASAは数年にわたりスピッツァーの運用を続けたが、「ウォーム（温かい）ミッション」と呼ばれたこの期間に中赤外線探知装置の機能はもはや失われていた。

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JWSTの先行機に当たるNASAのスピッツァー宇宙望遠鏡を描いたイメージ図
ILLUSTRATION: NASA

しかし、JWSTはほかにも難問を抱えている。例えば、機体の冷却が進むにつれて発生する水蒸気の細かい粒を、宇宙空間にうまく放出しなければならない。さもないと、結露した水蒸気が氷となってミラーや赤外線探知機にこびりつき、撮影画像がぼやけてしまう恐れがあるのだ。

また時間が経つにつれ、砂粒よりも小さな微小隕石が望遠鏡の部品に衝突する可能性もある。もっとも、NASAはそうした事態にも備えている。5層の厚みをもつ太陽シールドは、この程度の小さな衝撃にはびくともせず、機器の損傷は最小限に抑えられるはずだ。

いよいよ6月には本格稼働へ

JWSTの活動を担う機械部品のなかには、予備のないものもある。「JWSTは非常に複雑な構造をしています」と、21年9月に閉鎖されたカリフォルニア工科大学スピッツァー科学センターに最後まで勤務した天文学者で、現在はNASAの太陽系外惑星科学研究所（NExScI）に所属するショーン・ケアリーは言う。

「使用されている可動部品の数は1,000を超えます。スピッツァー宇宙望遠鏡の可動部品はわずか4つでした。一度外せば不要になるレンズカバー、ミッション開始時に2回ほど動かした後は二度と動かさない焦点装置、遠赤外線観測器（MIPS）用走査ミラー、赤外線観測用カメラ（IRAC）のシャッターの4つです」

これらは、どれも中近赤外線を観測するための装置だ。JWSTに重大な問題が発生しても、ねじ回しを片手に宇宙飛行士が修理に駆けつけるにはあまりに遠すぎる。ハッブル宇宙望遠鏡のときのようにはいかないのだ。

いまのところ、JWSTが次に目指す重要なマイルストーンはすべての機器の冷却を完了することであり、なかでもMIRIは4月初旬までに極度の低温に達する予定だ。長時間にわたる慎重な調整を要する天体望遠鏡のミラーの位置合わせも、5月には完了するだろう。

続いて、ついに待望の瞬間がやってくる。NASAのマザーによると、おそらく6月には実際に画像を撮影したりデータを収集したりといった科学活動を開始できる見込みという。

「すべてが順調で、とても満足しています」と、マザーは言う。「これまでのところ解決できないトラブルは発生していません」

（WIRED US/Translation by Mitsuko Saeki/Edit by Daisuke Takimoto）

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