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天文学者たちは、これまでに太陽系外に5,000個以上の惑星を発見している。壮大な問題は、これらの惑星のどれかに生命が存在するかどうかである。その答えを見つけるためには、天文学者は現在よりも強力な望遠鏡を必要とするだろう。

私は宇宙生物学と遠い恒星の周りの惑星を研究する天文学者である。過去7年間、私はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の100倍の光を集めることができる新しいタイプの宇宙望遠鏡を開発するチームの共同リーダーを務めてきた。

ハッブルやウェッブを含め、ほとんどすべての宇宙望遠鏡は鏡を使って光を集めている。我々が提案する望遠鏡、ノーチラス宇宙天文台は、大きくて重い鏡の代わりに、鏡の望遠鏡よりもはるかに軽く、安価で製造が容易な斬新な薄いレンズを使用する。このような違いがあるため、軌道上に個々のユニットを多数打ち上げ、望遠鏡の強力なネットワークを構築することが可能になる。

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この想像図にあるTOI-700dのような太陽系外惑星は、太陽系を超えた惑星であり、生命探査の有力な候補である。 (Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)

大型望遠鏡の必要性

太陽以外の恒星を周回する惑星である太陽系外惑星は、生命探査の主要なターゲットである。天文学者は、このような暗く遠い天体を研究するために、膨大な量の光を集める巨大な宇宙望遠鏡を使う必要がある。

既存の望遠鏡は、地球と同じくらい小さな太陽系外惑星を検出することができる。しかし、これらの惑星の化学組成を知り始めるには、もっと多くの感度が必要だ。ウェッブでさえ、ある種の太陽系外惑星に生命の手がかり、つまり大気中のガスを探すにはギリギリの性能だ。

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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、生命の痕跡がないか太陽系外惑星を探索することができるぎりぎりのところまで来ている。 (Credit: NASA)

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の建設費は80億ドル以上で、20年以上かかった。次の主力望遠鏡は2045年までには飛ばない見込みで、費用は110億ドルと見積もられている。このような野心的な望遠鏡プロジェクトは、常に高価で、手間がかかり、強力で、しかし非常に専門的な、ひとつの天文台を生み出す。

新しいタイプの望遠鏡

2016年、航空宇宙大手のNorthrop Grummanは、太陽系外惑星と地球外生命体探査の専門家である私を含む14人の教授とNASAの科学者をロサンゼルスに招き、ひとつの疑問に答えてもらった:50年後の系外惑星宇宙望遠鏡はどうなっているのか?

議論の中で、より強力な望遠鏡の建設を阻む大きなボトルネックは、より大きな鏡を作り、それを軌道に乗せるという課題であることがわかった。このボトルネックを回避するために、何人かが回折レンズという古い技術を見直すことを思いついた。

従来のレンズは屈折を利用して光を集束させている。屈折とは、光がある媒質から別の媒質へと通過する際に方向が変わることで、光が水に入ると曲がるのはこのためである。これに対して回折とは、光が角や障害物を避けて曲がることだ。ガラスの表面に段差や角度を巧みに配置したパターンが回折レンズを形成する。

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左の回折レンズは、右の屈折レンズに比べてはるかに薄い。 (Pko/Wikimedia Commons)

このようなレンズは、1819年にフランスの科学者Augustin-Jean Fresnelが灯台用の軽量レンズを提供するために発明したのが最初である。今日、同様の回折レンズは、カメラレンズからバーチャルリアリティヘッドセットに至るまで、多くの小型消費者向け光学製品に見られる。

薄くて単純な回折レンズは像がぼやけることで悪名高いため、天文台で使用されたことはない。しかし、もし回折レンズの鮮明度を向上させることができれば、ミラーや屈折レンズの代わりに回折レンズを使用することで、宇宙望遠鏡をより安く、より軽く、より大きくすることができるだろう。

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回折レンズの利点のひとつは、直径が大きくなっても薄いままであることだ。 (Credit: Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND)

薄くて高解像度のレンズ

会議の後、私はアリゾナ大学に戻り、現代の技術でより画質の良い回折レンズが作れないか探ることにした。幸運なことに、回折レンズ設計の世界的な第一人者であるThomas Milsterが私の隣のビルに勤めていた。私たちはチームを結成し、仕事に取り掛かった。

その後2年間、私たちのチームは新しいタイプの回折レンズを発明したが、それには透明なガラスやプラスチックに複雑なパターンの小さな溝をエッチングする新しい製造技術が必要だった。この特殊なパターンと形状により、入射光はレンズ後方の一点に集光される。この新しい設計は、従来の回折レンズよりもはるかに優れた、完璧に近い品質の画像を生成する。

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回折レンズは、表面のエッチングとパターンを使って光を曲げる。(Credit: Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND)

ピント合わせを行うのはレンズの厚さではなく表面の質感なので、非常に薄く軽量なままレンズを大きくすることは容易です。大きなレンズはより多くの光を集めることができ、軽量であれば軌道上への打ち上げコストも安くなる。

2018年8月、我々のチームは最初のプロトタイプである直径2インチ(5センチ)のレンズを製作した。その後5年間にわたり、さらに画質を向上させ、サイズを大きくした。現在、直径10インチ(24cm)のレンズを完成させており、従来の屈折レンズの10倍以上の軽量化を実現する予定だ。

回折式宇宙望遠鏡の威力

この新しいレンズ設計は、宇宙望遠鏡の作り方を再考することを可能にする。2019年、我々のチームは「ノーチラス宇宙天文台」というコンセプトを発表した。

この新技術を使えば、直径29.5フィート(約8.5メートル)、厚さわずか0.2インチ(約0.5センチ)のレンズを作ることが可能だと私たちのチームは考えている。私たちの新しい望遠鏡のレンズと支持構造の重量は、約1,100ポンド(500キログラム)である。これは同サイズのウェッブ式鏡よりも3倍以上軽く、ウェッブの直径21フィート(6.5メートル)よりも大きい。

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この薄いレンズのおかげで、チームはより軽量で安価な望遠鏡を設計することができ、ノーチラス宇宙天文台と名付けた。(Credit: Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND)

レンズには他にも利点がある。第一に、鏡よりもはるかに簡単かつ迅速に製造でき、大量生産が可能である。第二に、レンズを使った望遠鏡は、完璧にアライメントされていなくても機能するため、極めて正確なアライメントを必要とする鏡を使った望遠鏡よりも組み立てが簡単で、宇宙での飛行も容易である。]

最後に、ノーチラスユニットは1台が軽量で比較的安価に製造できるため、何十台も軌道に投入することが可能である。私たちの現在の設計は、実際には単一の望遠鏡ではなく、35個の望遠鏡ユニットからなる星座である。

個々の望遠鏡は独立した高感度の天文台となり、ウェッブよりも多くの光を集めることができる。しかし、ノーチラスの真のパワーは、個々の望遠鏡をすべて1つの目標に向けることで発揮される。

全ユニットのデータを組み合わせることで、ノーチラスの集光力はウェッブの10倍近い望遠鏡に匹敵する。この強力な望遠鏡があれば、天文学者は何百もの太陽系外惑星を探査し、地球外生命体を示す大気ガスを探すことができるだろう。

ノーチラス宇宙天文台は打ち上げまでまだ長い道のりがあるが、私たちのチームは多くの進歩を遂げました。私たちは小規模なプロトタイプで技術のすべての側面が機能することを示し、現在は直径3.3フィート(1メートル)のレンズの製作に集中している。私たちの次のステップは、望遠鏡の小型版を高高度気球に乗せて宇宙の果てまで送ることだ。

そうすれば、NASAに画期的な新しい宇宙望遠鏡を提案する準備が整い、うまくいけば、生命の痕跡を求めて何百もの世界を探査する道が開けるだろう。


本記事は、Daniel Apai氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「A new, thin-lensed telescope design could far surpass James Webb – goodbye mirrors, hello diffractive lenses」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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