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2022-01-17(令和４年)」松尾芳郎
図１：(NASA)宇宙空間でサンシールドと主鏡を展開したジェームス・ウエブ宇宙望遠鏡(JWST=James Webb Space Telescope) の想像図。ウエブ望遠鏡は打上げロケット「エイリアン５」のペイロード室に折り畳まれて収納され発射された（2021年12月25日）。発射後ゆっくりと開き始め２週間の2022年1月8日にその全容を現した。
NASA主導で開発したジェームス・ウエブ宇宙望遠鏡は、最大の難関であった太陽光を防ぐ大型サンシールドの展張を終り、続いて直径6.5 mの金色に輝く主鏡の展張に取組み2日間でこちらも無事完了した。これで望遠鏡は観測に必要な装置の展開が完了した。
（NASA led James Webb Space Telescope fully deployed five-layered sunshield in first ten-days. After that, its 6.5 meter gold-coated primary mirror deployed from folded position in the following two-days. Both processes performed successfully as the final stage of all major deployments to prepare for scientific observation.）
ウエブ望遠鏡ミッションには、ヨーロッパ宇宙庁(ESA)とカナダ宇宙庁が参加している。観測する範囲は、宇宙の初期が見える超遠距離の銀河から、太陽系の内部まであらゆる天体を予定している。
NASA長官ビル・ネルソン(Bill Nelson)氏の話；―
「ウエブ望遠鏡の航海はまだ続くが、今日は主鏡の展開という大きなステップを完了し、少しホッとしている。今後の困難な作業への取組みに勇気付けられた。ウエブ望遠鏡ミッションは、これまで前例のない、宇宙誕生の頃の銀河から来る僅かな光を受信し宇宙の神秘を探ろうというものだ。」
サンシールドの展張
エイリアン５ロケットで打上げられ26分後にウエブ望遠鏡はロケットから分離、直ぐに電力供給用のソーラーパネルが自動展張した。それから数日後（2日半）、地上からの指令に従ってサンシールドの展開が始まった。そして1月6日までにサンシールドは完全に展開し終え、５枚の膜から成る巨大な菱形の凧の形が姿を現した。これはウエブ望遠鏡ミッションの中で最も難しい作業で、この成功で長年チーム全体を覆っていた懸念を払拭することができた。サンシールドが展張できたので、JWSTは人工衛星の中で最も低温を創りだす装置となった。
サンシールドの膜は、ケプトン(Kapton)製で、複雑なケーブル機構を使って宇宙空間でピシッと張った状態に展張された。これが判明した瞬間、全チームが大歓声を上げ喜びを分かち合った
打上げ後10日目地球から916,000 kmの距離に達した時に、最後となる５枚目の膜が21 m x 24 mの広さに僅かの皺もなく綺麗に展張できた。
NASAサンシールド開発担当マネジャー「ジェームス・クーパー(James Cooper)」氏は喜びを次のように語っている；―
「サンシールドを展開するには、その支持構造・展開メカニズム・展張用ケーブルなどの相互の複雑な動きが一箇所の狂いもなく進行する必要がある。これは地上での試験で何度も実施したが最も困難なテストだった。それが今日、予想以上にうまく出来て正に最高！！。」
「サンシールド」は薄膜5枚から成り、お互いの間隔は約50 cm、従ってサンシールド全体の厚さは2 mになる。
事前の計画では1月3日には、最初の薄膜１枚を広げ、テンションをかけて展張して終わり、翌日に次の１枚の展張に入る、という予定だった。しかし、作業が予期以上にスムースに行ったので３枚を続けてピンと張ることにし、５時間半で作業を完了した。
担当技術者は喜びを込めてそのメカニズムを次のように詳しく説明した。
サンシールド機構は、展開メカニズム140箇所、ヒンジ70箇所、プーリー400個、ケーブル90本、および展開用モーター8個、で構成されている。これらが全て完璧に作動し、打上げ後ほぼ１週間で展開に成功したのである。
JWSTプロジェクト・マネジャー「ビル・オチス(Bill Ochs)」氏はNASA、望遠鏡製作を担当したノースロップ・グラマン社、ミッション統括を担当するNASAゴダード宇宙飛行センター、その他多数の関係エンジニアや科学者に対し、20年に及ぶ努力に賛辞を送り、談話を発表した(1月3日)；―
「この２週間でサンシールドの展張が無事に終わったのは本当に素晴らしいことだ。数千人の関係者の努力が結実、ここにその姿を現した。これでウエブ望遠鏡にある“故障の可能性のある箇所” 344箇所のうち70~75%が解消した事になる。サンシールドは、折り畳まれた状態で107本のピンで固定されていて、展張する際には全てのピンが外れる必要がある。１箇所でも引っ掛かれば完全な展張ができないので、その場合の対処法も検討していた。」
図２：（NASA） サンシールドの地上展張試験。左右21 m、前後24 m、テニスコートほどの広さになる。アルミ・コーテイングをしたケプトン(Kapton)フイルム５層で構成され、各フイルムの間隔は50 cmほど、全体の厚さは2 mになる。真ん中の観測機器取付用開口部に技術者が立っている。「ケプトン」はデユポン(DuPont)社が作るポリミド・フィルムで、人工衛星など宇宙機器に使われる断熱材。
図３：(NASA) ウエブ望遠鏡のサンシールドの効果を示す図。サンシールドの太陽側は太陽からの熱線/赤外線で85℃になるが、反対側の望遠鏡本体は-233℃に保持される。宇宙空間で最も低い温度は絶対零度「0度K」で、-273℃に相当する。
図４：(E SA)2021年12月25日、地球を出発した JWSTは、ロケットから分離すると折り畳まれたサンシールドを前後に開いた。
図５：(ESA) 打上げ10日後にサンシールドの展張に成功。
主鏡の展開
1月3日にサンシールドの展張に成功したのち、折り畳まれた副鏡の支柱（３本）を伸ばし主鏡面に正対させた。
図６：(ESA) サンシールドの展張が完了した後に、副鏡を展張・主鏡に正対する位置にセットした。ここまでは主鏡の両側は折り畳まれたまま。
1月8日午前10時半(東部標準時/EST)に折り畳んであった２枚目の主鏡セグメントの展開を終わり、午後1時17分に主鏡にロックされて主鏡が完成すると、バルテイモア(Baltimore, Maryland)にあるミッション・オペレーション・センターは、大拍手とハイタッチで包まれた。
NASAサイエンス担当副長官トーマス・ザーブチェン(Thomas Zurbuchen)氏はウエブ・チームの面々に対し、「世界で初めてとなる巨大な望遠鏡が宇宙空間に出現した。誇りに思う。」と話し、クリスマスの打上げから髭を剃らずにこの成功を待ち続けていた氏は「これから髭を剃り綺麗にする」と結んだ。
ミッション・オペレーション・センターでは、ウエブ望遠鏡の完成を祝って、その日の夕方アニタ・ウオード(Anita Ward)作曲の[Ring My Bell]の演奏会を開いた。関係者で宇宙物理学者の一人は「こんな輝かしい胸の高鳴りを覚えたことは初めてだ」とその喜びを語っている。
NASA長官ビル・ネルソン(Bill Nelson)氏はツイッターで次のように述べている；―
「今日NASAは歴史に記録されるべき事業の第１段階を終え少てして安心した。しかしこれで終ったわけではない。世界最高の望遠鏡の将来が見えてきたところだ。実用化に向け共に一層の努力をしよう。」
図７：(ESA)打上げてから15日後の 2022年1月8日に主鏡両側の各３枚のセグメントを展開して主鏡が完成、JWSTはその姿を現した。この姿で地球から150万km離れた観測位置、ラグランジェ点「L2」に向け飛行を続けている。
主鏡・副鏡の微調整と今後の予定
18枚のセグメントが展開したことで外見上鏡面が完成したが、これを正確に焦点を結ぶ１枚の凹面鏡に仕上げる作業が残っている。NASAの技術者チームは、１月12日から、各セグメントに対しその位置を調整する指令を送り始めた。
各セグメントには7個のアクチュエーター・合計126個、副鏡と合わせると合計で132個のアクチュエーターが付いているが、これらを動かして予定の正確な位置に動かす。同時に、望遠鏡として観測する際に安定して観測できるようにする「fine steering mirror(微調整ミラー)」が正常に作動することを確認する。これら一連の作業完了は3月頃になる見込みだ。
これで望遠鏡が完成したわけではない。NASAは、計画通りの宇宙望遠鏡に仕上げるにはさらなる微調整が必要で、４月半ばまで調整作業が続くと予想している。
ウエブ望遠鏡は12月25日に打上げられ、予定より早くL2点に向かう軌道に入ったので燃料を節約でき、寿命は当初の予定より伸び20年になると修正された。しかし、これも主鏡・副鏡が正確に作動することが前提になっている。
ウエブ望遠鏡は、現在目標のパーキング・スポット、太陽と地球の引力が同じになるラグランジェ（Lagrange）「L2点」への飛行の途上にあり、1月23日に２回目となる軌道修正/ロケット噴射を行う。「L2点」は地球の太陽周回軌道の外側になるが、ウエブ望遠鏡はここで静止するのではなく、太陽周回軌道に対し「L2点」を垂直に周回する軌道(halo orbit)を回る。この軌道は短径25万km、長径83万kmの楕円軌道になる。これで絶えず太陽の光を地球で遮る位置で観測ができる。
打上げてから6ヶ月後にようやく宇宙望遠鏡として機能を発揮することになる。
地球―月間の距離は40万km、ハブル宇宙望遠鏡は高度550 kmの地球周回軌道を回っている。これに比べウエブ望遠鏡の観測する位置「L2点」は地球から150万kmになる。従って途中で修理することは極めて困難、現在では予定されていない。
図８：(Universe Today Dec. 26, 2021) 太陽と地球の引力が等しくなる点/ラグランジェ点は５箇所ある。「L2点」は太陽光が地球で遮られる。ウエブ望遠鏡は「L2点」を周回する小軌道を回る。
JWSTが観測する電磁波
ウエブ望遠鏡が観測する電磁波は「可視光線から赤外線」の範囲で赤外線は近赤外線を含みかなりの広範囲になる。これで「ハブル宇宙望遠鏡」の観測域よずっと広い波長域を観測できる。赤外線は、人の目には見えないが熱として感じられる。ウエブ望遠鏡は非常に微弱な赤外線を受感するので、望遠鏡本体を極めて低温に保つ必要がある。この役目をするのが既述した「サンシールド」である。
赤外線領域の観測範囲が拡がるので、宇宙の始まりを示す超遠方の銀河の観測が可能になる。
次図は、ガンマ線からラジオ波までの電磁波の上に「ウエブ望遠鏡の観測範囲」と他の望遠鏡の観測領域を重ね比較した図である。図中下段に書き入れた望遠鏡の概要は次の通り。
- コンプトン ガンマ線望遠鏡(Compton Gamma Ray Observatory);
1991年に打ち上げられ2000年まで使われた高エネルギー放射を探査する望遠鏡。
- チャンドラX線望遠鏡(Chandra X-Ray Observatory)
ブラックホール、超新星爆発、ダークマター、その他X線を放射する物体を高精度で観測する望遠鏡。
- ハブル宇宙望遠鏡(Hubble Space Telescope)
100億光年以上にある銀河を観測する望遠鏡、ウエブ望遠鏡はハブル望遠鏡の近赤外線領域を超えて観測できるので一層遠方の深宇宙・135億光年の彼方の誕生間もない銀河を観測できる。
- スピッツアー宇宙望遠鏡(Spitzer Space Telescope)
この望遠鏡は中赤外線から遠赤外線の観測で16年間使われ2020年に退役した。Jウエブ望遠鏡はスピツアー望遠鏡より1000倍も強力なので多くの成果が期待できる。
図９：(NASA, Diana Marques, NGM Staff) 我々が夜空で眺める星々が放射しているのは人の目で見える「可視光線」だけではない。波長0.1オングストロームの極めて短い「ガンマ線」から波長数メートルの「ラジオ波」まで広い範囲の電磁波を放射している。電磁波の波長はおおよそ次のように分類される。[ガンマ線：0.01~0.1 nm]、「X線：0.1~10 nm」、[紫外線：10 nm~400 nm]、[可視光線：400 nm~700 nm]、[赤外線：700 nm~10 mm]、[マイクロ波：1 cm以上]、[ラジオ波：1 m前後]。
JWSTの構造
繰り返しになるがウエブ望遠鏡の望遠鏡部分の構成は、主鏡、副鏡、観測機器モジュール、から成る。
主鏡(Primary Mirror)は、ベリリウムの平板に金コーテイングを施した６角形セグメント18枚で構成される。
副鏡(Secondary Mirror)は直径74 cmの円形の鏡で、３本の支柱で主鏡背面の支持構造で支えられ、光学望遠鏡系(OTE=Optical Telescope Element)の一部となっている。
主鏡は宇宙からやってくる光を捉えるレンズの働きをし、副鏡を通じて光を網膜に相当する観測機器モジュールに送る。
副鏡を支持する３本の支柱は厚さ1 mmの炭素繊維複合材チューブである。
図１０：(Northrop Grumman) ジェームス・ウエブ宇宙望遠鏡の概要。
主鏡・副鏡システム(Optics & Mirror System)
望遠鏡の中核となる「主鏡・副鏡システム」は、ブルームフィールド(Broomfield, Colorado)の「ボール・エアロスペース(Ball Aerospace)」社がノースロップ・グラマン社の下請として開発した。システムには主鏡、副鏡の他に、観測点を正確に保持する「微調整ミラー(fine steering mirror)」を含んでいる。
ベリリウム(Beryllium)製の６角形ミラー・セグメントは赤外線の反射率の良い金コーテイングが施され、18枚で直径 ６.５m、面積25.4 m2 の大型凹面鏡を形成する。ハブル望遠鏡の主鏡の面積は4.5 m2だから、5.6倍の広さになり集光能力で格段に勝れる。ベリリウムは非常に硬く、軽く、非磁性体で極低温下でも形が変わらないので宇宙機器には広く使われている。
各セグメントは、幅(直径)1.32 m、重さ20 kgで、18枚を継ぎ合わせて１枚の凹面鏡にするためには頭髪の太さの1万分の1の精度で湾曲/凹面に仕上げる必要がある。各セグメントには7個ずつ、合計で132個の調整用アクチュエーターが付いている。これらを個別に作動させるために[電子制御装置(electronic flight control box)] 22個を搭載している。
６角形のセグメントを隙間なく組合わせることでほぼ円形にできる。もしセグメントを円形にするとお互いの間にギャップが生じる。６角形だと18枚を３種類用意すればギャップ無しの完全な凹面鏡に仕上げることができ、集光した像を観測機器に正確に送ることができる。
図１１：(NASA / Ball) 18枚のセグメントのサイズは３種類で、この配置で完全な隙間無しの１枚のほぼ円形の凹面鏡/主鏡に仕上げることができる。中心の穴はこの背後に観測機器モジュールが装着されている。
図１２：（NASA / Ball）主鏡セグメントの説明図。セグメント背面のアクチュエータを動かしベリリウム平板を精緻な凹面にし、18枚を継ぎ合わせ全体を1枚の完全な凹面鏡/主鏡に仕上げる。
観測機器モジュール(Scientific Instruments module)
「統合観測機器モジュール (ISIM=Integrated Science Instrument Module)」は、ウエブ望遠鏡支持構造の背面に取付けられている。電力供給装置、コンピューター関連機器、冷却装置などがあり、次の４台の観測機器とガイド・カメラが収納されている。
- 近赤外線カメラ (NIRCam=Near InfraRed Camera)
可視光線の端600 nmから近赤外線 5μmの範囲を観測する。高解像度のカメラ10台で構成される。アリゾナ大学とロッキード・マーチン・先端技術センター (Lockheed-Martin Advanced Technology Center)が開発した。
- 近赤外線分光分析計 (NIRSpec=Near Infrared Spectrograph)
NIRCamと同じ波長範囲の分光分析をする装置。欧州ESAがエアバス防衛・宇宙部門と協力して開発した。カール・ツアイス(Carl Zeiss)社が開発した高解像度のセンサー２台で受感する。
- 中赤外線計測器 (MIRI=Mid-Infrared Instrument)
波長5μmから27μm範囲の中・長赤外線領域を観測する装置で、中赤外線カメラと分光計から成る。NASAとESAの共同開発でカール・ツアイス社が参画した。MIRIは6°K (-267℃)以下に保持する必要があるのでヘリウム冷却装置で冷却する。
- 精密ガイダンス・センサー、近赤外線撮影装置、スリットレス分光分析計(FGS/NIRISS=Fine Guidance sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)
カナダ宇宙庁(CSA)が開発を主導するウエブ望遠鏡の観測/撮影を安定化するための装置。
図１３：(Lockheed Martin) パラアルト(Palo Alto, Calif.)にあるロッキード・マーチン・先端技術センター (Lockheed-Martin Advanced Technology Center)で技術者がNIRCamを組立て試験している様子。
終わりに
ウエブ望遠鏡開発の関係者全員が心底懸念していたサンシールドの完全な展張、続く主鏡の組立てが成功し、地球から100万キロ離れた宇宙空間に巨大な宇宙望遠鏡が姿を現した。本稿ではその様子を紹介すると共に、これまで記述した断片的な情報の取りまとめを試みた。
ウエブ望遠鏡は間も無くパーキング・スポット「 L2点」周回軌道に入る。すでに始まった主鏡・副鏡の鏡面調整作業が成功裏に終え、6月の観測開始が予定通り始まることを期待したい。
―以上―
本稿作成の参考にした記事は次の通り。
- NASA Webb Telescope Jan. 9, 2022 “NASA’s Webb Telescope Reaches Major Milestone as Mirror Unfolds”
- Universe Today 2022-01-07 “Success! Webb Sunshield Now Fully Deployed” by
- Space.com January 10, 2022 “James Webb Space Telescope, the biggest ever build, fully unfolds giant mirror to gaze at the cosmos” by Mike Wall
- Space.com January 9, 2022 “The James Webb Space Telescope is fully deployed. So what’s next for the biggest observatory off Earth?” by Elizabeth Howell
- Space.com January 10, 2022 “NASA’s James Webb Space Tlescope mission: Live updates”” by Space.com Stuff
- NASA “James Webb Space Telescope Overview”
- Northrop Grumman Newsroom August 06, 2019 “NASA’s James Webb Space Telescope Secondary Mirror Deploys for the First Time Using the Spacecraft Flight Electronics” by Lindsay McLaurin
- Ball Aerospace News Dec. 25, 2021 “Ball Aerospace-Build Optics and Mirror System Launched Today Aboard James Webb Space Telescope”
- NASA “James Webb Space Telescope – Webb’s Mirroes”
- TokyoExpress 2021-12-27 “NASAジェームス・ウエブ宇宙望遠鏡の打上げに成功“