ジェイムズウェッブ闇の終わりを求めて100億ドルのマシン

宇宙の中で一体化する自分、しかしそれを体験する人はほとんどいません。

ジョナサンエイモスBBCサイエンス特派員

宇宙の起源と終焉を探求する科学

洞窟の底で、おそらく、または地下室で電源が切れたとき。しかし、通常、どこかからかすかな輝きがあります。夜空でさえ真っ黒に見えることは決してありません。

特に、遠くに星が1つか2つきらめいているからです。

ですから、何百万年もの間、どの方向にも移動でき、それでもまったく何も見えない、暗闇だけが存在していた時代を想像するのは難しいです。

しかし、これは科学者たちが私たちに語った、最初の星が発火する前に宇宙をつかんだ「暗黒時代」の物語です。

そしてまもなく、彼らはその時、あるいはそれがどのように終わったか、つまり宇宙が最終的にどのように光で満たされるようになったのかを私たちに示すつもりです。

彼らは、地球の向こうに配置された史上最大の望遠鏡、ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡を使用してそれを行います。

JWSTは、数日中に打ち上げられ、成功した伝説のハッブル宇宙望遠鏡よりも、宇宙をより深く、したがって過去にさかのぼって調査する使命を帯びています。

幅6.5m（21フィート）の鏡と4つの超高感度機器を備えたウェッブは、135億年以上にわたって広大な宇宙を通過してきた光を検出するために、空の非常に狭い場所を数日間見つめます。

「それらはほんの小さな赤い斑点になります」と、JWSTのシニアプロジェクトサイエンティストでノーベル賞を受賞したジョンマザーは言います。

「ビッグバンから1億年後の星、銀河、ブラックホールがあるはずだと思います。当時はそれほど多くはありませんが、ウェッブ望遠鏡はそれらが存在するかどうかを確認できます。

そして私たちは幸運です」と、米国の宇宙機関（NASA）の研究者は、BBCワールドサービスでディスカバリーの特別版を語っています。

あなたがまだそのようなことを目撃することができるかもしれないということは驚くべき考えです。

しかし、それは広大で拡大する宇宙の中で光が有限の速度を持っている結果です。どんどん深く調べ続けると、最終的にはパイオニアの星が最初の銀河に集まったときに、それらの星から光を取り戻すことができるはずです。

さて、本質的にそれは最も基本的な質問に帰着します：私たちはどこから来たのですか？

宇宙がビッグバンで形成されたとき、それは水素、ヘリウム、そしてわずかなリチウムしか含んでいませんでした。他には何もありません。

しかし、どのような目的のために？空にあるかすかな赤い塊を検出するために、なぜ10年間考え、さらに20年間構築して、100億ドルのマシンを使うのでしょうか。

これらの3つより重い周期表のすべての化学元素は星で鍛造されなければなりませんでした。生物を構成するすべての炭素。地球の大気中のすべての窒素。岩石中のすべてのシリコン-これらの原子はすべて、星を輝かせる核反応と、それらの存在を終わらせる強力な爆発で「製造」されなければなりませんでした。

私たちがここにいるのは、最初の星とその子孫が宇宙に物を作るための材料を植え付けたからです。

望遠鏡が過去にどのように見えるかプレゼンテーションの空白

「Webbの使命は、すべての肖像を形成することです。それは、「私たちはすべてスターダストでできている」という議論です」と、WebbのNIRSpec機器のチームメンバーであるオックスフォード大学の天文学者であるレベッカボウラーは考えます。

「これは、史上初の炭素原子の形成に関するものです。進行中のそのプロセスを実際に観察できたことは、私にとって絶対に驚くべきことです。」

私たちは最初の星についてあまり知りません。物理法則をコンピューターモデルに組み込んで実行し、何が可能かを理解することができます。そしてそれは幻想的に聞こえます。

「推定値は、太陽の質量の100倍から1,000倍の範囲です」と、WebbのNIRCam機器の主任研究員であるMarciaRiekeは述べています。

「そして実際、すべての星は、星として存在できる時間の長さは質量に反比例するという規則に従います。

つまり、星の質量が大きいほど、燃料の消費が速くなります。

したがって、これらの初期の星はせいぜい百万年かそこらしか続かなかったかもしれない」と語った。

速く生き、若くして死ぬ。私たち自身の太陽は、比較するととても臆病に見えます。すでに50億年近く燃え続けており、おそらくさらに5年間燃え続けるでしょう。

かつてハッブル望遠鏡は私たちを過去への信じられないほどの旅に連れて行ってくれました

最初のスターライトの検索に重点を置くことで、Webbは「ワンノートフルート」のように聞こえます。それは実際には何でもありません。

私たち自身の太陽系の氷のような月や彗星から、すべての銀河の中心にあるように見える巨大なブラックホールまで、地球の向こうに見えるもののほぼすべてを観察します。

それは他の太陽の周りの惑星を研究することに特に熟達しているべきです。

ただし、Webbは、すべてのターゲットを非常に特殊な方法で見るように調整されています…赤外線で。

ハッブルは、主に光学波長または可視波長の光に敏感になるように設計されています。それは私たちが目で検出するのと同じタイプの光です。

一方、Webbは、より長い波長を検出するように特別に設定されています。これは、私たちの目には見えませんが、宇宙で最も遠い物体からの輝きが現れる領域に正確にあります。

「遠方の星の光は宇宙の膨張によって引き伸ばされ、スペクトルの赤外線領域にシフトします。

これを赤方偏移と呼びます」と、暗黒時代の終わりを探求するのを待ちきれないロンドン大学の天文学者、リチャードエリスは説明します。

「たとえば、ハッブルの制限要因は、必要な星の光の信号を検出するのに十分な距離まで赤外線に到達しないことです。

また、特に大型の望遠鏡ではありません。確かに、先駆的な施設でした。

すばらしい写真ですが、鏡の直径はわずか2.4mで、望遠鏡の威力は鏡の直径の2乗に比例します。そこでJWSTが登場します。」

赤外線を発見したのは18世紀の天文学者ウィリアムハーシェルでした。彼はまた、望遠鏡の鏡の製造に革命をもたらしました。

彼の手回し研磨機は、スズと銅の合金から鋳造されたディスク上で非常に滑らかな反射面を実現することができました。

Herschelは、Webbのミラーの製造に取り入れられた革新を高く評価していたでしょう。

それらは、軽量で非常に低温でその形状を保持する金属ベリリウムから作られています。そして、金のコーティングがあります。非常に薄く、わずか数百原子の厚さですが、この追加により、ミラーが赤外線でほぼ完全な反射鏡に変わります。

入射光の98％が跳ね返り、遠方の星からの放射がWebbの機器に到達するまでに最小限の損失しか経験しないようにします。

望遠鏡が電磁スペクトルのさまざまな部分をどのようにカバーするか

プレゼンテーションの空白

望遠鏡のセグメント化された6.5mの主鏡を見た人は誰でも、その魅惑的な品質を証明するでしょう。20年間取り組んできた人でさえ、その美しさに飽きることはありません。

「ミラーが下を向いていたとき、後部光学系の検査を行うためにミラーの下に登らなければなりませんでした」と、Webbミラーチームを率いたNASAのリーフェインバーグは回想します。

「それで、私はバニースーツを着て、金色の表面をすべて見上げて、自分が反射して戻ってくるのを見ました。本当に素晴らしかったです。これらすべての表面が私に焦点を合わせています。この信じられないほどのエネルギー感が中心にありました。そのすべての。」

ハッブルは、その主鏡に大きな問題を抱えていたことで有名です。

1990年に望遠鏡が軌道に到着したとき、科学者たちは反射鏡が正しく研磨されていなかったことに気づきました。銀河の最初の写真はぼやけていました。

ハッブルが宇宙をはっきりと見始めたのは、宇宙飛行士がいくつかの補正光学系を採用できるようになるまででした。

そして、おそらく不合理ではないかもしれませんが、Webbのミラーが完璧であることが保証されるかどうかを誰もが尋ねるのは、その経験のおかげです。

2017年8月は、ハリケーンハービーがテキサス上空で失速し、州に1,270億トンもの驚異的な雨水を投下した月でした。

その大洪水の真っ只中に、ウェッブは実際にはヒューストンのナサのジョンソン宇宙センターで、その光学系が飛行に適していることを証明する重要なテストを受けていたので、注目に値します。

エンジニアは、1960年代にアポロのハードウェア、さらには宇宙に適した宇宙飛行士に対してルールを実行するために使用された宇宙シミュレーターに望遠鏡を配置しました。

真空容器として知られているチャンバーAは、体積が巨大で、望遠鏡全体（日よけを除く）を飲み込むことができました。

3か月のテストの目的は、Webbを-233C（40ケルビン）のすぐ下の動作空間温度まで下げて、すべてのミラーが設計どおりに焦点を合わせるかどうかを確認することでした。

また、Webbの4つの機器に取り組んでいるチームに、システムがオフワールドの模擬条件でどのように機能するかを確認する機会を提供します。つまり、ハリケーンハービーが義務付けていると仮定します。

時々、チャンバーA内のWebbと通信するコンピューターコンソールは、天井から水が滴るリスクから保護するために、プラスチックシートで覆われていなければなりませんでした。

しかし、真空容器の厚い壁の後ろに隠れていたWebb自体は安全であり、「ハッブルの問題」がないことを示していました。

「主鏡のセグメントの後ろにはアクチュエータがあり、それらを動かしたり、曲率を変えたりすることができます」とLeeFeinberg氏は説明します。

「最初に宇宙に配備されたとき、これらのセグメントはずれます。しかし、これらのアクチュエータはすべて、ミリメートル単位で測定されたずれから、ナノメートルまでの範囲で私たちを導きます。100万倍の改善です。」

これらのアクチュエータにより、18個のセグメントが単一のモノリシックミラーであるかのように動作します。

Nasaの計器システムエンジニアであるBegoñaVilaは、次のように付け加えています。

しかし、ミラーを調整してすべてのスポットをまとめ、異常がなく通常の操作に適した単一の星を作成します。Webbが機能することはわかっています。」

ジリアンライトはタッパーウェアボックスを運んでいます。

「これは古いタッパーウェアではありません。宇宙で認定されたタッパーウェアです。何年にもわたって物事を完璧にきれいに保つためのすべての国際基準を満たしています」と英国天文学技術センターの所長は言います。

Webbの素晴らしさだけでなく、構築に時間がかかる理由（建設段階で約20年）を理解したい場合は、Gillianのプラスチックの箱を調べる必要があります。

彼女と同僚が望遠鏡用に作った中赤外線計器（MIRI）の予備の「スライスミラー」が含まれています。

イギリスの50ペンスくらいの大きさで、人形用に作られたミニミュージカルアコーディオンのようです。小さな鏡（もう一度金でコーティングされている）には、一連の傾斜した「階段」が含まれています。

この配置により、ミラーは空の画像を取得するだけでなく、たとえば銀河やブラックホールの端からの光を切り刻み、その光を分光器に送ることができます。

このデバイスは、研究中のターゲットの化学的性質、温度、密度、および速度を明らかにします。

「しかし、画像内の1つのポイントだけでなく、画像全体のすべてのポイントで、すべて同時に。2Dから3Dに、つまりデータキューブと呼ばれるものに移行します」と彼女は私に言います。

これは地上の天文学で行われていましたが、Webbにとっては斬新でした。さらに、必要なエンジニアリング精度のレベルは非常に困難でした。

ステップは、非常に鋭いエッジを持つように非常に注意深く機械加工する必要がありました。

そうしないと、異なる波長の光がミラーを横切ってブリードし、データを汚染します。

MIRIのスライシングミラーが仕様を満たすことを宇宙機関に納得させるのに1年かかりました。

そして、これが重要です。これは、巨大な望遠鏡の一部にある1つの小さなコンポーネントにすぎません。

彼らがWebbを組み立てたとき、そのようなすべての要素をテストし、別の要素に結合したときに再度テストする必要がありました。

建物全体がロシアの人形のように建てられました。

元NASAのプロジェクト科学者であるマーククランピンは次のように説明しています。

「非常に大きくて複雑な天文台であり、極低温で動作する必要があるため、すべてを一度にまとめてテストすることはできません。すべてを密閉してください。

熱的に隔離されたパッケージ。最小の部品から始めて上に向かって進み、すべての段階でテストします。

その後、すべてが大きくなるにつれて、検出器に問題が見つかったため、元に戻すことは事実上不可能になります。」

望遠鏡の構造の終わりに向かって、MIRIのスライスミラーの1つに欠陥があることに気付いたと想像してみてください。

数十億ドル規模の天文台を分解して標準以下の部分に到達することは、すべての悪夢の悪夢になります。

Mark McCaughreanは、欧州宇宙機関の顧問として23年間このプロジェクトに携わってきた、英国の赤外線天文学者です。

彼は以前にWebbの断片を見たことがありますが、フランス領ギアナのクールー宇宙港からの打ち上げ予定のわずか数週間前に、完成した天文台を初めて調べる機会を得ています。

「私は何を言うべきかわかりません。それは驚くべきことです。」彼の声には感情があります。

鏡と断熱毛布は金と銀の炎です。後者の色は少し紫がかっています。Webbは折りたたまれた構成で表示されていますが、それでも1階建てバスのサイズです。

この「バス」は、アリアン発射ロケットのノーズコーンにぴったりと収まるようにひっくり返されています。

「それには驚くべき規模があります」とマークはコメントします。「それが宇宙で展開するとき-宇宙を自由に飛ぶ鳥-それは見るべきものではないでしょう！」

詳細な展開シーケンス、プレゼンテーションの空白

Webbは、その開発を通じてすべての否定論者と戦わなければなりませんでした。「複雑すぎる」と彼らは言うだろう。

そして、望遠鏡が宇宙の観測を開始するために完了しなければならない一連の展開を考えるとき、それはちょっと怖いです。

エンジニアは、「単一障害点」を参照してアクションを説明します。アクションがキューで正しい順序で発生しない場合、事業全体を台無しにする可能性があります。

Webbは、これらの決定的なハードルのうち344を超えなければなりません。

打ち上げ直後の数分でソーラーパネルと無線アンテナを配備するなど、いくつかのアクションは非常に簡単なはずです。

主鏡の翼を開くことでさえ、かなり標準的な操作と見なされるべきです。しかし、アクションは、ウェッブを涼しく保ち、太陽のまぶしさからそのビジョンを保護するテニスコートサイズのシールドの展開に集中しました-それは別の問題です。

「主要なハードウェアの一部には、140のリリースメカニズム、約70のヒンジアセンブリ、8つの展開モーターが含まれます。ベアリング、スプリング、ギアがあります。

約400のプーリーが必要で、90のケーブル、合計1,312フィート（400m）です」と航空宇宙のKrystalPugaは述べています。メーカーノースロップグラマン。

「シーケンスを完成させるために、小型モデルとフルサイズモデルの両方で数年にわたって複数の展開テストを実行しました。

展開だけでなく、収納プロセスも実践しました。これにより、Webbが正常に展開されるという確信が得られます。」

NasaのJWST科学チームの天体物理学者であるAmberStraughnが、望遠鏡がとてもエキサイティングで重要である理由を説明します。

プロジェクトに直接関わっていない私たちにとって、展開プロセス全体は恐ろしいように見えます。

極薄の膜を引っ張っているコードの1つが引っ掛かったり、さらに悪いことに、スナップしたりした場合はどうなりますか？

ジョン・マザーは落ち着いた声です。Webbベンチャーでの彼の長年の経験は、彼を哲学的な立場に導きました。

「私は自信を持っています」と彼は言います。

「それでも、私たちがどんなに良い計画を持っていても、そして私たちが非常に良い計画を持っていても、悪いことが起こる可能性があることも知っています。

しかし、私の意見は影響を与えません。その結果、私の心配はハードウェアにも影響を与えません。

したがって、私はほとんど心配しません。」

私は最後までトピックを残しましたが、コメントなしでは通過できません。コスト。

誰もが引用する数字は100億ドル（75億ポンド、90億ユーロ）です。これは、直接20年間の構築期間、打ち上げ、および宇宙での5年間の運用を対象としています。

冷たい数字として、それは目を見張るものがあります。しかし、ハッブルも非常に高価だったことを覚えておく価値があります。伝説の天文台は、立ち上げられて修理されるまでに、2021ドルで70億ドル以上の費用がかかりました。今の2倍近くになっているはずです。

しかし、ハッブルが宇宙とその中の私たちの位置について私たちに示したすべてのことを考えると、古い望遠鏡は良い価値があるようです。

ヨーロッパ人にとって、Webbのコストは安い一杯のコーヒーの価格に達しました

Webbが私たちの原子の起源を示すことに成功した場合、誰がコストについて口論し続けるでしょうか？

「額面ではゼロがたくさんあり、ヨーロッパだけでジェームズウェッブに7億ユーロ（6億ポンド、8億ドル）を費やしました」と元欧州宇宙機関のプロジェクトマネージャーであるピータージェンセンは言います。

「しかし、それをヨーロッパの住民一人当たりのコストとして見ると、それは20年以上にわたって飲まれた安いカフェでの安い一杯のコーヒーに帰着します。」

ジョナサンが、BBCワールドサービスのディスカバリーとBBCラジオ4のインサイドサイエンスの特別版で、ジェイムズウェッブミッションの主要人物と話しているのを聞くことができます。

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