最近宇宙のこと知るのが面白いんですよ。圧倒的なスケール感で、何調べても絶景に出会ったような気持ちになるんです。
時事的に今アツいのがジェイムズウェッブ望遠鏡。テンションの上がるニュースをバンバン上げてくれてるのよ！
今回はそんな世界に是非興味を持ってもらいたく、天文学に偉大な功績を残したハッブル望遠鏡と、運用僅かで驚くような報告を上げてくれているジェイムズウェッブ望遠鏡について紹介するよ！
ハッブル望遠鏡とジェイムズウェッブ望遠鏡
1990年4月24日、僕らが生まれたり、生まれてなかったりしたとき、現代宇宙論の礎を築いたアメリカの天文学者、エドウィン・パウエル・ハッブルの名を冠したハッブル望遠鏡は、スペースシャトル・ディスカバリー号に搭載されて打ち上げられた。
ハッブル望遠鏡は人類史上初めての、『宇宙空間での観測を可能にした』望遠鏡なんだ。地球には大気があるから、望遠鏡が地上にあると見たい光が散乱してしまって精度が落ちてしまう。これを解決するのが望遠鏡を大気の上、宇宙に配置してしまおうというプロジェクトだ。
打ち上げ以降、30年経つ現在も地上約600kmを周回しているすごい望遠鏡で、これまでに140万回の観測を行い、そのデータに基づいて各国の研究者が1万7000編以上の論文を査読付き学術誌に投稿されたんだ。
そんな偉大な功績を残したハッブル望遠鏡だが、30年間の修繕に次ぐ修繕の末、とうとうその役目を終える。そしてその後継機として活躍が期待されるのがジェイムズウェッブ望遠鏡！
この二つの望遠鏡の関係は長嶋と松井かな？いや、違うかもしれんにわかですまん。
ハッブル望遠鏡
打ち上げと修繕の歴史
まずはハッブル望遠鏡。さっきも言ったように、この望遠鏡のメインシステムは1990年のもの。それなのに未だに衝撃の観測結果をもたらしてくれるすごい望遠鏡だ。
そんなハッブル望遠鏡最初の困難が打ち上げ直後。なんと望遠鏡部分の鏡の端が設計よりたっっったの0.002mm歪んでいることが発覚した。そのほんの僅かな歪みのせいで、ハッブル望遠鏡の性能は予定の5%程度まで低下した。
絶望的なこの状況。これをどうやって解決したと思う？
なんとびっくり人の手で望遠鏡に直接大きなコンタクトレンズを装着したんだ。
NASAはスペースシャトルで宇宙飛行士を派遣し、船外活動での直接的な修復の末、ハッブルは本来の実力を取り戻した。船外活動期間はなんと11日にも。俺高いところ無理だからこんなの絶対できないわ。
その後も本来15年の運用期間であったのに対し、修繕を重ね現在も稼働している。しかしスペースシャトルの運用終了とともに、ハッブルの今後の修繕計画は無しとなった。
ハッブル望遠鏡の写した貴重な写真
惑星状星雲「NGC6302」（バタフライ星雲）
このNGC（New General Catalogue）とはは、1888年にジョン・ドレイヤーがもともとのGeneral Catalogueに追補して発表したもので、全部で7,840個の星雲、星団や銀河などの天体が載っている『天体カタログ』になる。
よくこんなに見つかるよね。
ちなみにウルトラマンのM78はメシエという人が見つけたカタログで78番目という意味で、デュエリスト卒業生ははこのMにテンション上がるかもしれん。あのM7はさそり座の尻尾にある星団だってさ。
星雲っていうのは輝いた雲のように見える天体で、星団は多数の恒星が、重力的な相互作用を通して、まとまった一つの力学集団。
銀河とは恒星やコンパクト星、ガス状の星間物質や宇宙塵、そして重要な働きをするが正体が詳しく分かっていない暗黒物質(ダークマター)などが重力によって拘束された巨大な天体なんだ。
まぁ細かいこどはともかく、この写真はバタフライ星雲NGC6302の中心にある恒星が最期を迎えてガスを吐き出しているところなんだ。
さそり座の星で3400光年先にあるんだってさ。光年ってわかる？光が1年かけて進む距離。
1光年は9.461×1012kmだから
9兆km笑
その3400倍てだいたい3京km笑笑
地球1周4万kmが息子の息子ぐらいに見えますわ！
3400光年先の星ということはこの写真は3400年前に放たれた光になる。もうこの星は無くなってしまったんだろうか。
わし星雲「創造の柱」
ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した「創造の柱」（提供：NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)）
これは星が生まれてくる現場の写真なんだと。夏の天の川の流れの中に位置する、へび座の星雲M16「わし星雲」。この写真は1995年に初めて撮影され、みんなの度肝を抜いた。そして2014年にもう一度撮影され、また話題を呼んでいる。
生まれたての星から発せられる強力な紫外線が周囲のガスに影響を及ぼし形成される柱状構造。この柱状構造がどのように形成され成長していくかは、観測的にも理論的にも明らかになっておらず、多くの研究者のテーマだ。
こんなハッブル望遠鏡の撮影した写真はNASAやJAXA、国立天文台のホームページから見ることができるので見てみてね。
jaxa
https://www.isas.jaxa.jp/gallery/
国立天文台
https://www.nao.ac.jp/gallery/
科学的な貢献
ハッブル望遠鏡の30年間の偉大な功績を語る中で、よく出されるものがこちらの5つ。
- 宇宙膨張とその加速の度合いを測定
- 超大質量ブラックホールがほぼ全ての銀河中心に存在することを発見
- 太陽系外惑星の大気の特徴を解明
- 太陽系の様々な惑星で生じる気象現象を観測
- 宇宙年齢の97%もの時間をさかのぼり、恒星と銀河の誕生・進化の年代を調査
この中から少しだけ簡単に解説していく！
宇宙膨張とその加速の度合いを測定
宇宙の膨張といえばハッブルだ。ハッブル望遠鏡の名前の由来となったエドウィン・パウエル・ハッブル。『宇宙を広げた男』として有名な、簡単に言うとスーパーマンだ。今回は話さないが、この男、経歴がやばい。
ハッブルはとりあえず近代を代表する天文学者の一人であり、現代の宇宙論の基礎を築いた人物だ。彼は1929年、宇宙に散らばる銀河はどれも私たちの銀河から遠ざかりつつあり、その速さはその銀河までの距離に比例することを発表した。
現在では専門家でなくても聞いたことのある、宇宙膨張説と、ビッグバン仮説。この発表は宇宙の概念を根底から覆すものであり、かのアインシュタインですら初めは否定的だった。
これまでの宇宙論では宇宙とは不変なものだったのである。
現代版天動説と地動説。
アインシュタインもその後膨張説を支持し、自分の定理にて『宇宙は不変である』と定義したことを人生最大の過ちだったと言った。
そんなハッブルの法則は
地球から銀河までの距離をr、銀河の後退速度をvと置くと、以下の先で表される。
v = Hr
Hはハッブル定数。
地球からの距離と地球から遠ざかっていくスピードが分かる星をピックアップし、グラフの両軸にそれぞれをとり、それぞれスポットするとひとつの直線が浮かび上がる。その直線の傾きがハッブル係数だ。
何がすごいってこの人たちは星の地球からの距離と、遠ざかっていく速さを観測する方法を知っていた事だよね。全く検討もつかなかった。面白かったのでまた今度紹介する。
ハッブル宇宙望遠鏡による最新の観測データを使い、天文学者がハッブル定数を計算した結果、従来の予測値よりも9％も大きく、既存の理論では説明のつかないものであることが分かってきたという。従来の理論では宇宙誕生直後と現在では膨張速度は変化していないはずであったが、今回のハッブル宇宙望遠鏡の観測結果により、実際は9％速くなっていることを示していた。今後のさらなる研究が期待される。
宇宙は広がり続けていて、境界があるという時点で考え出したらよく分からんロマンに溢れる。ちなみに今観測できる宇宙の半径は半径約465億光年の球状なんだって。もう規模が違いすぎて、kmに直すの諦めたよ笑
超大質量ブラックホールがほぼ全ての銀河中心に存在することを発見
そしてこれもやばいんですよ。銀河の中心には超巨大ブラックホールがあることがわかった。なんと太陽の10の5乗から10の10乗倍の質量を持っている。
太陽の10億倍の質量て。
ちなみに太陽の質量は地球の33万倍な。スケールがやばいです。いつか俺らも吸い込まれるんですかね。
皆ところでブラックホールって穴だと思ってなかった？実はブラックホールも天体なんだ。違いはめちゃくちゃ高密度。天体の重力ってのはこの密度と関係があるらしい。
地球の質量を、ビー玉に閉じ込めたらブラックホールになるんだってよ。光すらも抜け出せない超重力で、フィールドのモンスターをすべて破壊、、、違った色々引きつけているとても面白い天体だ。
ブラックホールの面白いところは、光をその重力で外に出さないので、誰も観測が出来なかったってことだ。2019年までは理論上あるよねっていう架空のものだったんだぜ？
そんなブラックホールの存在を1番初めに予見したのはアインシュタインの『一般相対性理論』。その後約100年かけて人類はようやくブラックホールの撮影に成功する。
少し脱線するがブラックホールの撮影に初めて成功したのは2019年。
イベント・ホライズン・テレスコープという国際協力プロジェクトにて世界中の電波望遠鏡をつなぎ合わせて、圧倒的な感度と解像度を持つ地球サイズの仮想的な望遠鏡を作り上げることで撮影した。
これで撮影できたのがこの画像。M87星雲に存在する超大質量ブラックホールだ。
これはブラックホールシャドウと呼ばれるブラックホールの重力で方向を捻じ曲げられた光を撮影したものになる。
そういえばM87星雲って知ってる？本当のウルトラマンの故郷ね。最初の設定ではM87だったのに、どっかの段階で間違えてM78になったらしい。
ちなみにM87はおとめ座にあるんだってよ。
この画像のおかげでM87のブラックホールの質量は太陽の65億倍であることがわかったんだって。
いや、どうやって。科学ってすげぇ。
他にも活動銀河の膨大なエネルギーのエネルギー源であることが明確になったり角運動量がわかるかもって思ったら分からくってまた宿題になったり。なんかすごい進展があったみたい。
そして2021年、我らの天の川銀河中心にある超大質量ブラックホール、いて座A*（いて座エースター）の撮影に成功する。
銀河あるところにブラックホールあり。鶏が先か卵が先か。いまでもブラックホールと銀河は互いに影響するのか、共に進化していくのか、原始宇宙においてどのように成り立ったのかなど、さまざまな議論を巻き起こしている。
みんなも天の川見たらいて座A*のこと思い出してくれ。
宇宙年齢の97%もの時間をさかのぼり、恒星と銀河の誕生・進化の年代を調査
ここまでそのスケールに圧倒されたように、宇宙は広い。光の進む速度には限界があるから、遠い銀河のリアルタイムを私たちは観測できない。
1光年先の銀河から放たれた光は一年かけて地球に届く。つまり地球で受け取った光から得られる情報はその光の元の一年前の姿になる。
つまり、観測された光が遠くから来ていれば来ているほど、その光は遠く過去のものであることを意味する。
ハッブル望遠鏡はなんと、134億光年先の天体の撮影に成功した。その観測した光は134億年過去のものだと言うことだ。
宇宙の年齢はさっきのハッブル定数を逆数にして算出する。だいたい138億歳。宇宙ができてたった4億年の状況を画像化することに成功した。
ロマン砲だわ。
ジェイムズウェッブ望遠鏡
そしてようやく今回もう一人の主役、ジェイムズウェッブ望遠鏡！！名前の由来であるジェイムズウェッブはNASA2代目の長官だ。アポロ計画とかも担当してる。
ジェイムズウェッブ望遠鏡は赤外線観測用の宇宙望遠鏡になる。その配置場所はハッブル望遠鏡のような地球周回上ではなく、ラグランジュ点L2。地球からだいたい太陽と反対側に150万km彼方になる。月までの距離の四倍ぐらい。
こんなところ行ったらハッブルみたいにスペースシャトルで宇宙飛行士送り込んで修繕とかは絶対出来ない。それだけデメリットを抱えても、ここに配置したいだけの理由があった。
ラグランジュ点というのは地球と太陽からの重力や遠心力が均衡するポイントでいくつかある点の今回はL2という場所。この場所は望遠鏡を配置しておくためのエネルギー効率が良いというメリットが一つある。
そしてもう一つのメリットはこの場所の温度だ。この場所ではサンシェードを付けることで、望遠鏡の温度をマイナス230度に保つことができる。
この望遠鏡は赤外線観測用だということを思い出してくれ。波長の長い赤外線は僕らの感じる常温付近でもあらゆる物質からバンバン出る。つまり常温では望遠鏡自身からも赤外線が発せられてしまい、観測感度に影響が出てしまう。
そのためにマイナス230度に維持できるこの場所は都合が良い。他にも理由あるのかもしれないけど、だいたいこういったメリットから今回ジェイムズウェッブ望遠鏡はラグランジュ点L2に配置された。
打ち上げは2021年12月25日、フランス領ギアナから。1ヶ月の飛行を経てこのポイントに無事辿り着いた。
このジェイムズウェッブはその開発はがなんと1兆1000億円。計画以降、増えつづける開発費に何度も計画中止の危機が訪れた。しかしその開発費も開発の難しさを考えると納得できる。
ジェイムズウェッブ望遠鏡は直径6.5メートル、その大きな望遠鏡を宇宙へどうやって持っていくかが問題となっていた。そしてその問題は日本の折り紙を参考に、綺麗にたたみ込んで、宇宙空間で展開するという方法で解決する。
しかしそれは簡単に言うけれども、めちゃくちゃ難関だ。展開後の望遠鏡にはμm以下の単位での精度を要求され、わずかでも違えばそれはもうその遠さからハッブルのように修復できず全てが水の泡になるからだ。
その展開を無重力下、気温マイナス200度以下の宇宙空間で行うんだ。その状況での素材の熱膨張や力学的な要素など、物理化学的な性質をすべて、もう本当に全部加味し計算し、地球上ではテストするのも困難な環境に対し、実行しなくてはならない。
そしてジェイムズウェッブにはそこが壊れるとシステム全体に大きな被害を及ぼすという単一障害点が約300あると言われている。そしてこの単一障害点の多くは、望遠鏡の展開部にあった。
この事だけでもジェイムズウェッブを無事に宇宙で運用することがどれほど困難なものだったのかわかる。
打ち上げ後の1ヶ月は技術者たちにとって常に心配と不安に苛まれる期間であり、無事に望遠鏡の展開、そしてラグランジュ点への到達し、魅力的なデータの観測できたことにどれほど興奮したか。
現在も宇宙の真理に迫るデータを観測し、わたしたちに興奮を与えてくれている。
さて、そんなジェイムズウェッブ望遠鏡のスペックについて、もうちょっと見ていく。
まず何故赤外線観測に特化しているのか。それはジェイムズウェッブ望遠鏡の大きな目的の一つに、宇宙の初期に形成された天体を探すことがあるからだ。
ファーストスターってやつ。
宇宙は『宇宙の誕生』→『宇宙の晴れ上がり』→『宇宙の再電離』→『星と銀河の形成』と誕生以降進んでいく。ビッグバンで誕生して以降、指数関数的な時空の急膨張を経て、水素やヘリウムなどの物質を生んだ。
ビッグバン初期の宇宙は高温高密度の『火の玉（ファイアボール）』状態だったが、宇宙の広がりと共に温度がどんどん下がっていく。宇宙が誕生して約40万年後には宇宙はだいたい1億光年に膨張し、約3000Kまで温度が下がっていた。
その時にバラバラだった陽子と電子（電離した水素）が結合し、電気的に中性な水素となる。光にに対して不透明な電離水素が、光に対して透明な中性水素となり、宇宙全体が澄み渡る。
これが『宇宙の晴れ上がり』だ。
ところが、現在の銀河間に存在する希薄なガスはそのほとんどが電離している。
この状態を『宇宙の再電離』と呼ばれている。
ガスが再度電離状態となるにはエネルギーを加える必要がある。現在考えられているのが『紫外線』だ。
よく化学の実験の条件で出てきてたやつ。遷移エネルギー越えるためだっけ？忘れてしまった。
物質というのはめっちゃ熱いと『波長の短い光』を出す。恒星は太陽を例にすると核融合で表面温度約6000度。太陽が燦々と僕らに見える光にである可視光と、日焼けの要因紫外線を出してるのはみんなも知ってる通り。
つまり、宇宙が再電離したタイミングというのは天体の誕生を意味するかもしれないということだ。ファーストスターの誕生により、その放つ紫外線エネルギーによって中性水素が電離し、『宇宙の再電離』は達成されたと考えられている。
そういえばハッブル望遠鏡が撮影したわし星雲も強力な紫外線出して『創造の柱』を作ってたもんな。
その宇宙の再電離がビッグバンから2億年以降だと考えられており、その強力な紫外線を現在の技術で観測する必要がある。
まぁつまり136億光年先にある天体を観測できれば、136億年前の状態が分かるということ。
ハッブルの法則で分かっているように、めちゃくちゃ遠くになる星はめちゃくちゃ速いスピードで地球から遠ざかっている。
こいつが出してる光を観測したい。
そしてここで出てくるのが赤方偏移という現象。物理やってた人はドップラー効果覚えてるよね。遠ざかっていくものから発せられる波の波長は通常のものより長くなる。救急車でよく例えられるやつ。めちゃくちゃ遠くにある星はハッブルの法則から地球からもの凄い勢いで離れて行ってるので、発せられる光の波長が長くなる。紫外線や可視光だったものが赤外線領域まで偏移する。
だから宇宙の起源を解明しようと思ったら赤外線にめちゃくちゃ強い望遠鏡を赤外線にめちゃくちゃ適した環境に配置しなきゃいけない。
これが今回ジェイムズウェッブ望遠鏡を配置場所を含め赤外線仕様に特化した理由だな。赤方偏移した元々紫外線の光を赤外線観測の最先端技術を詰め込んだジェイムズウェッブで探索することで、人類はファーストスターにたどり着けるのではないかと期待されているのだ。
そして、温度が高ければ波長が短くなると言うことは、温度が低ければ波長は長くなる。実際人とかも赤外線めっちゃ出してる。赤外線スコープとか見たことあるよね。つまり、赤外線は低音の惑星観測も得意。ハッブルの功績をさらに発展させることが期待されている。
まぁまとめると、ジェイムズウェッブこんな感じの働きを期待されている。
- 宇宙の初期に形成された銀河を探す
- 銀河の形成と進化を調べる
- 恒星の形成と進化、惑星系の誕生を調べる
- 太陽系と系外惑星の化学的組成を調べる
ジェイムズウェッブの功績がニュースになるのを楽しみに待ってようぜ。
最後に
やっぱり宇宙すごい。
どこかの天文学の大学教授がテレビの取材に対してこんなこと言ってたのよ。
TV『宇宙人はいると思いますか？』
教授『いるに決まってるじゃないですか。宇宙の広さナメてますよ。』
TV『では、UFOは地球に来ていますか？』
教授『来てるわけないじゃないですか。宇宙の広さナメてますよ。』
やっぱり宇宙船地球号ですね。みなさん戦争なんかやめて平和に暮らしましょう。
午前2時〜ふみきり〜に〜