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NASAの次世代宇宙望遠鏡はハッブルで85年かかるものを63日で見ることが出来る

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、その主要なミッションが始まって1年半も経たないうちに、すでに私たちが知る天文学に革命をもたらしている。JWSTは、その高度な光学系、赤外線画像、分光計を駆使して、これまでで最も詳細で息を呑むような宇宙の画像を私たちに提供してきた。しかし、今後数年のうちに、この望遠鏡とその仲間たちに、もうひとつの次世代装置、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡(RST)が加わることになる。「ハッブルの母」にちなんで名付けられたローマン宇宙望遠鏡は、ハッブルの後を継いで、時の始まりまで遡ることができるのだ。

RSTは、ハッブルと同様、2.4mの主鏡と異なる波長の画像を撮影するための高度な機器を搭載する。しかし、RSTにはハッブルの200倍の視野を可能にする3億画素の巨大なカメラ「広視野観測装置(WFI)」も搭載される予定だ。NASAが率いる国際研究チームは、最近の研究で、RSTが見ることができるものを予見するために作成したシミュレーションについて説明した。2027年に宇宙へ飛び立つRSTは、このデータセットによって新たな実験や機会を得ることが出来る事だろう。

研究チームは、NASAゴダード宇宙飛行センターの天体物理科学部門、フラットアイアン研究所の計算天体物理学センター、国立天文台、南アフリカ天文台(SAAO)の研究者で構成されている。宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)、欧州南天天文台(ESO)、ミッチェル基礎物理学・天文学研究所、ローザンヌ工科大学(EPFL)、および複数の大学からなる。

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模擬宇宙の側面図。各ドットは銀河の大きさと明るさを表し、その質量に対応している。(Credits: NASA/GSFC/A. Yung)

このシミュレーションは、最も広く受け入れられている宇宙論モデルであるラムダコールドダークマター(LCDM)モデルを取り入れた、十分に検証された銀河形成理論に基づいている。その結果、直径2平方度の5つの光円錐(満月の約10倍の大きさ)に、それぞれ500万個以上の銀河が含まれていることをシミュレーションすることができた。これらの銀河は赤方偏移スペクトル(z=1-10)に分布しており、100万光年から130億光年以上の距離に相当する。

その結果を記した論文は、2022年12月に『The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』に掲載された。この研究を率いたNASAゴダード宇宙飛行センターのポスドク研究員、Aaron Yung氏は、最近のNASAのプレスリリースで次のように述べている。

「ハッブル宇宙望遠鏡やジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、天体を深く、近くで調べることに最適化されているため、ピンホールで宇宙を見ているようなものです。宇宙の謎を最も大きなスケールで解明するには、はるかに大きな視野を提供できる宇宙望遠鏡が必要です。Romanはまさにそれを実現するために設計されました」

運用が開始されると、これらのシミュレーションやその他のシミュレーションは、観測データと比較できる枠組みを天文学者に提供することになる。これにより、銀河の形成や進化、ダークマターダークエネルギーなど、天体物理学や宇宙論のモデルを精査することができるようになる。これは、ハッブル望遠鏡より2桁大きい視野(とそれに匹敵する角度分解能)と高度な分光観測を組み合わせたRomanの能力によって可能になる。

例えば、ダークマターが遠くの天体からの光を歪ませ増幅させる(重力レンズ)様子を観察することで、ダークマター・ヘイローが時間とともにどのように発達したかを知ることができる。他の宇宙望遠鏡では、このような広大な宇宙構造を描き出すのに1世紀近く(あるいはそれ以上)かかるのに対し、Romanは63日以内に同じ仕事をすることが可能だ。これを可能にするのは、広い視野に加え、天文台の速い旋回速度と剛性構造である。Romanは、太陽電池アレイなどの構成要素が固定されているため、1つの目標から次の目標へ素早く移動することができるのだ。

つまり、再配置による振動がすぐに収まるので、画像取得の待ち時間が短縮される。NASAゴダードの宇宙物理学者Jeffrey Kruk氏(論文の共著者)は、「Romanは毎年約10万枚の画像を撮影する予定です。Romanの視野の広さを考えると、ハッブルやウェッブのような強力な望遠鏡でも、同じだけの空をカバーするには私たちの一生よりも長い時間がかかるでしょう」と、述べている。

RSTのもう一つの楽しみは、他の天文台と協力して宇宙をより詳細に研究する方法だ。これには、ハッブル望遠鏡のより広い波長域とウェッブ望遠鏡のより詳細な赤外線観測を利用した追跡調査のためのターゲットの特定が含まれる。これにより、銀河や銀河団から太陽系外惑星や太陽系内の天体に至るまで、宇宙の天体を詳細に研究することが出来るのだ。

「Romanは、ハッブルディープフィールドの深さに匹敵するユニークな能力を持ちながら、CANDELS調査のような広い調査よりも数倍多くの空域をカバーすることができます。このような初期宇宙の全貌は、ハッブルとウェッブのスナップショットが当時の宇宙をどれだけ代表しているかを理解するのに役立ちます」と、Yung氏は述べている。

この論文の共著者であるゴダードの天体物理学者、Sangeeta Malhotra氏は、「このようなシミュレーションは、Romanによる前例のない大規模銀河探査を、銀河の分布を決定する目に見えない暗黒物質の足場と結びつける上で極めて重要です」と付け加えた。このシミュレーションにより、銀河の数密度、星形成率(SFR)、フィールド間分散、角度2点相関関数が予測されました。また、将来の広視野探査によって、これらの測定値が現在の探査に比べてどのように改善されるかも示している。

RSTのほかにも、研究チームのシミュレーションは、今後予定されている天文台のいくつかの装置の測光も行っている。ESAのEuclidミッションとVera Rubin天文台は、ダークエネルギーを研究する宇宙望遠鏡と、太陽系の数百万個の天体の特性を調べる地上観測装置だ。両ミッションは、今年の後半に打ち上げられるか、光を集め始めると予想されている。これからの数年間は、天文学者や宇宙論者にとってエキサイティングな時期になるだろう。そして、運が良ければ、新たな発見があるかも知れない。


論文

参考文献

研究の要旨

NASAの次期主力天文台であるナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、ハッブル望遠鏡より2桁大きい視野とそれに匹敵する角分解能で、深視野銀河探査を再定義する予定です。このような将来の深視野銀河探査には、その科学的成果を予測し、探査戦略を最適化するための新しいシミュレーションが必要である。この研究では、2deg2の光円錐を5つ用意し、z ⋈0から10までの範囲で、-16⋈MUV -25の銀河を合計2,500万個シミュレートしています。このデータセットにより、調査規模が銀河形成と宇宙論的制約に与える影響について、新たな実験が可能になりました。銀河の性質は、物理学に基づいた半解析的モデリングによって予測されています。数密度、宇宙SFR、フィールド間分散、角度2点相関関数の予測を行い、将来の広視野サーベイが現世代のサーベイと比較してこれらの測定値をいかに向上させることができるかを実証する。また、これらのライトコーンと経験的なモデルで構築された他のライトコーンとの比較も紹介します。模擬ライトコーンは、複数観測装置の相乗効果を調べたり、現世代の観測装置やレガシーサーベイとの接続を容易にするために設計されています。Romanに加え、EuclidやRubinなど、今後設置される予定の観測装置や、レガシーサーベイに含まれる観測装置の測光も行っています。この研究で発表された結果の全天体カタログとデータテーブルは、ウェブベースのインタラクティブなポータルサイトで公開されています。


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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