ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡
JWST spacecraft model 2.png
James Webb Space Telescopeのすべての部品が展開された状態のレンダリングイメージ
基本情報
所属 NASA / ESA / CSA
主製造業者 ボール・エアロスペース
ノースロップ・グラマン
打上げ日時 2021年12月25日 12:20 (UTC)[1][2]
打上げ場所 ギアナ宇宙センターELA-3
フランス領ギアナ・クールー
打上げ機 アリアン5[3]
ミッション期間 5年間(設計寿命)、10年間(目標)
質量 6,200 kg (13,700 lb)
軌道周期 1年
所在地 1.5×106 km
ラグランジュ点(L2)
形式 カセグレン式反射望遠鏡
観測波長 0.6から28 µm赤外線
口径 〜6.5 m (21 ft)
開口面積 25 m2 (270 sq ft)
焦点距離 131.4 m (431 ft)
観測装置
NIRCam 近赤外線カメラ
NIRSpec 近赤外線分光器
MIRI 中赤外線観測装置
FGS 高精度ガイドセンサー
公式サイト www.jwst.nasa.gov
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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(ジェイムズ・ウェッブうちゅうぼうえんきょう、英語: James Webb Space TelescopeJWST)は、アメリカ航空宇宙局(NASA)が中心となって開発を行っている赤外線観測用宇宙望遠鏡である。ハッブル宇宙望遠鏡の後継機であるが、計画は度々延期され、2021年12月25日に打ち上げられた[1][4]

JWSTの名称は、NASAの第2代長官ジェイムズ・E・ウェッブにちなんで命名された。ウェッブは1961年から1968年にかけてNASAの長官を務め、のちのアポロ計画の基礎を築くなど、アメリカの宇宙開発を主導した。かつては「次世代宇宙望遠鏡」(NGST / Next Generation Space Telescope)と呼ばれていたが、2002年に改名された。

概要[編集]

JWSTの主な任務は、宇宙誕生ビッグバンの約2億年後以降に輝き始めたとされるファーストスター(種族III)を初観測することである。ファーストスターからの赤方偏移により波長が引き延ばされ赤外線に変化すると考えられており、赤外線域で捜索・観測することによって、ファーストスターを発見することが期待されている。そのほか、搭載する高解像度の赤外線画像センサーと分光器による系外惑星の観測についても、新たな知見が得られるのではないかと期待されている[5]

JWSTの運用は、ESANASAが共同で行う計画である。打ち上げ後JWSTは、太陽 - 地球系のラグランジュ点の1つ(L2)に置かれることになっている。JWSTは、ハッブル宇宙望遠鏡(以下「HST」と記す)のように地球の周回軌道を飛行するのではなく、地球から見て太陽とは反対側150万kmの位置の空間に漂わせるように飛行する。その距離は月の公転軌道より約4倍外側である。

より正確に言えば実際にL2地点に到達するのではなく、L2の周囲に存在するハロー軌道に投入される[6]。発射から29日後にMid Course Correction (MCC)と呼ばれるロケット燃焼によって最終的な軌道に乗る予定で、MCC2の燃焼終了時点が「L2に到達した」タイミングとなる。HSTは地表から約600kmという比較的低い軌道上を飛行しているため光学機器にトラブルが発生してもスペースシャトルで現地へ行って修理することが可能であったが、これに対しJWSTは地球から150万kmもの遠距離に置かれるため、万が一トラブルが発生してもHSTのように修理人員を派遣することは事実上不可能とみられている[注 1]

構造[編集]

望遠鏡[編集]

JWSTの質量は6.2 tとして計画されており、HST(約11 t)の約半分である。一方、ベリリウムを主体とした反射鏡主鏡の口径は約6.5mに達する。これはHST(口径2.4m)の2.5倍で、面積は7倍以上にもなる。この点から、HSTをしのぐ非常に高い観測性能が期待されている。望遠鏡の大型化の一方で、鏡の重量は軽量化されている。

JWSTのベリリウム製の主鏡

主鏡の直径は、現存するいずれの打ち上げロケットにも収まらないほど巨大であるが、主鏡は一枚鏡ではなく18枚の六角形セグメントに分割されている。各鏡セグメントは約20kgであり、望遠鏡が打ち上げられた後に高感度のマイクロモーターと波面センサーによって正確な位置に導かれて展開する。

主鏡の鏡面は全体としても六角形をなしており、集光部と鏡がむき出しとなっている。このため、主鏡の鏡面は電波望遠鏡のアンテナを連想させる形状をしている。本体は筒型ではなく、主鏡の下にシート状の遮光板が広げられた形となっている。鏡面はターゲットとする波長の赤外線をよく反射させるため金メッキが施されている。このため黄色より波長の短い可視光域は金に吸収され観測できない。

遮光板[編集]

遮光板

精密な観測を追及するほど、太陽から発せられる光や電磁波、あるいは自身の機体から発せられる赤外線すらもノイズになるため機体を50K以下の極低温に冷却し、さらに太陽や地球から発せられるなども避ける必要がある。そのため、JWSTは折畳まれた遮光板を搭載し、遮光板によってJWSTの機体に到達する不要な光が遮蔽される。L2点においては、地球と太陽が望遠鏡の視界の中で常に同じ相対的位置を占めるため、頻繁に位置修正しなくとも遮光板を確実に機能させることができる。そのためJWSTは地球から遠く、また地球と太陽からの光(赤外線)を同時に遮光できるラグランジュ点(L2)に送り込まれる。

この遮光板は5層からなり、各層は人の髪の毛ほどの薄さしかない。2018年に地上でのテスト中、遮光板が破れるアクシデントが発生し、大幅に遅れていた計画をさらに後倒しにさせた[7]

JWSTの遮光板

観測機器[編集]

JWSTには電力や冷却資源、計算資源などを供給するIntegrated Science Instrument Module(ISIM)がJWSTの底面に設置されている。ISIMは4つの観測機器とガイドカメラからなる。

打ち上げまでの経緯[編集]

2003年の時点では、2010年に観測活動を終えることになっていたHSTの後継機として2011年打ち上げが予定されていた。しかし、JWSTの開発が順調に進まず、HSTも補修による延命措置を受けたため、2010年には2015年以降に打ち上げが延期された[8]

計画の参加者[編集]

1996年より、アメリカ航空宇宙局(NASA)や欧州宇宙機関(ESA)、カナダ宇宙庁(CSA)が主体となって望遠鏡の共同開発を進めた。JWSTの製作や地上での試験には、15か国から集まった科学者やエンジニアのほか、米国やカナダ、欧州などの合計258の企業や政府機関、大学が参加した[9]。また、打ち上げ後のNASAのプロジェクトのパートナーとして、オーストラリアなども参加する。

コストの増大と計画の遅れ[編集]

JWSTはもともと16億ドルと見積もられていたが、開発の初期段階からコストは増大し、2008年に正式に開発が決定した時点で既におよそ50億ドルに膨らんでいた[10]

2010年の夏、計画の遅れとコスト増大を懸念したメリーランド州のバーバラ・ミカルスキー英語版上院議員によって計画の見直しを求められた。

2011年7月6日には、アメリカ合衆国下院において、JWSTの開発がNASAの予算を圧迫していることや、大幅な予算超過、不十分な管理体制を理由に、計画全体を中止にする動きが出た[11][12]。これに対して、アメリカ天文学会が声明を発表し、JWST計画の続行を支持した[13]。また、国際紙にもJWSTの計画存続を訴える社説が多数登場し、最終的に2011年11月に議会は計画中止を撤回した。またこの時に議会は、JWSTへの追加資金の上限を80億ドルと定めた[14]

このように、あまりにJWSTへ予算が回されるようになったことから、他のミッションへの資金調達が脅かされる事態となり、科学誌『ネイチャー』は、JWSTを「天文学を喰らった望遠鏡(The telescope that ate astronomy)」と評した[15][16]

NASAは最終的なコストとして、望遠鏡の設計と開発に88億ドル、打ち上げ後のミッション運用に8億6100万ドル、合わせて97億ドルと見積もっている。また共同開発をしているESAの拠出金額は7億ユーロ、CSAは2億カナダドルと発表している[17]

打ち上げ予定年と予算の推移
打ち上げ予定年 予算(10億ドル)
1997 2007 0.5
1998 2007[18] 1[19]
1999 2007か2008 1[19]
2000 2009 1.8[19]
2002 2010 2.5[19]
2003 2011 2.5[19]
2005 2013 3[20]
2006 2014 4.5
2008 2014 5.1[10]
2010 2015か2016[8] 6.5
2011 2018 8.7[21]
2013 2018 8.8[22]
2017 2019 8.8
2018 2020[23] 8.8以上
2019 2021年3月 9.66
2021 2021年12月[24] 9.70

打ち上げの延期[編集]

2016年11月、ゴダード宇宙飛行センターで主鏡の組み立てが完了し、試験のためにジョンソン宇宙センターへ移送された[3]。この時点では2018年10月の打ち上げが予定されていた[3]。しかし2017年9月末には、各種機器の統合が想定より遅れていることから、さらに2019年3-6月に遅れる見込みであることが公表された[25]。実際の完成は、2019年8月となった[26]。2018年6月、音響試験中に発見された異常により、ネジの緩みがあったことが明らかになったため、打ち上げは2021年3月30日に再延期されることになった[27][28]。2020年7月、新型コロナウイルス感染症の流行と技術的な問題が原因で、打ち上げは2021年10月31日に再延期されることになった[29][30]。その後、更に延期され、2021年9月8日に同年12月18日と発表された[31]

打ち上げとその後の経緯[編集]

打ち上げ[編集]

2021年10月12日、打上げ場のギアナ宇宙センターがあるフランス領ギアナクールーに到着した[32]。11月22日、ロケットへの搭載準備中に予定外の振動が生じた為、追加の調査と試験を行うことを発表。打ち上げも4日遅れ、12月22日の予定とされた[33]が、最終的な打ち上げは25日まで延期された[24]

JWSTは2021年12月25日12:20 (UTC)にアリアン5ロケットで打ち上げられた[34]。打ち上げから27分7秒後にはJWSTはロケットから切り離され、JWSTは展開作業や調整を行いながらおよそ30日かけて目的地のラグランジュ点まで向かった。

望遠鏡の展開[編集]

JWSTはロケットに搭載するために、打ち上げ時には主鏡や副鏡、遮光板などが複雑に折りたたまれており、ラグランジュ点に到達するまでの間にこれらの展開作業を行った。これらの作業は、最初のステップである太陽光発電パネルと通信アンテナの展開以外、全てバルチモア宇宙望遠鏡科学研究所からの指令によって行われた。これは、作業進行中に何らかの問題が発生したとき、柔軟に展開の工程を変更できるようにするためである[35]

JWSTの遮光板は2022年1月3日から展開作業が始まり、1月5日には展開が完了。最後の展開として1月9日には主鏡の展開に無事成功し、一連の作業が滞りなく終了した[36][37][38]

JWSTの展開作業のタイムライン

1月12日からは主鏡と副鏡の調整が始まり、10日間をかけて鏡を打ち上げ時の保護位置から12.5mm移動させた。鏡は18枚のセグメントに分割されており、132個のアクチュエーターモーターが鏡の位置を10nm単位の精度で微調整できるようになっている。この展開作業では、発熱量を最小限に抑えるために、複数の部品を同時に動かすことはせず、1日に動かす距離は約1mmに制限された[39][40][41]

日本標準時の1月25日には、JWSTは地球からおよそ150万km離れた、太陽-地球系のラグランジュ点を周回するハロー軌道に到達した[42]

望遠鏡の調整[編集]

望遠鏡に取り付けられた機器類は、テストのために1月31日から稼働を始めた。2月2日より画像撮影プロセスが始まり、JWSTを実際に望遠鏡として機能させるため、近赤外線カメラ(NIRCam)によるおおぐま座の6等星HD 84406英語版を観測することで望遠鏡の調整を始めた[43][44]。調整前の段階では、それぞれの主鏡を構成する18個のセグメントは位置や焦点が合っていないため、画像にはぼやけた18個の撮像が見られる[45]。次に、この18個の撮像をそれぞれのセグメントと関連させ、1つの画像となるように位置調整された[45]

2月3日には、望遠鏡の機器が初めて光子を検出したことが発表され[45]、同月11日には撮影対象としていたHD 84406の画像が公開された[46]。同月25日には撮像が1つにまとまる段階にまで調整が進んだ[47]

自然科学データ収集と地球へのデータ伝送速度[編集]

一日に57GBの自然科学データ収集能力があり、地球へのデータ伝送速度は 28Mbps である[48]

アクシデント[編集]

2021年12月25日の打ち上げから2022年6月19日現在までに、JWSTに衝突した天体数が計5個にのぼるとNASAが発表した。

衝突した微小隕石5個の内1個は5月22-25日の間に、主鏡を構成する18枚のセグメントのうちの1枚に衝突したが、影響はゼロではないが今後の観測ミッションの要件を満たす性能を維持しているとされる[49][50]。JWSTには今後の観測、活動においてこのような衝突に見舞われる可能性が高いとNASAは見解を発表している[51][52]

科学的成果[編集]

ハッブル (2017) vs ウェッブ (2022)
銀河団SMACS J0723.3–7327。上が2017年にハッブル宇宙望遠鏡によって撮影された画像で、下の画像がジェイムズ・ウェッブ望遠鏡によって撮影された画像。

2022年7月11日、アメリカ大統領ジョー・バイデンホワイトハウスで行われた特別イベントにてジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した銀河団SMACS J0723.3–7327 (SMACS 0723) の画像を公開した[53][54]

2022年7月13日には、SMACS 0723以外に行われていた初期撮影イベントで撮影されたイータカリーナ星雲NGC 3132(南のリング星雲)、ステファンの五つ子銀河の画像と太陽系外惑星 WASP-96bスペクトル観測のデータを公開した[55][56]

脚注[編集]

[脚注の使い方]

注釈[編集]

  1. ^ HSTに関しても、2021年現在、スペースシャトルは全機退役していることから、かつてのように現地へ赴いて修理することは難しいものと目される。

注釈・出典[編集]

  1. ^ a b @esa (2021年12月25日). "LIFTOFF of @esa_webb and @ariane5 #VA256 on 25 December 2021, at 12:20 GMT/13:20 CET" (ツイート). 2021年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。Twitterより2021年12月25日閲覧
  2. ^ NASA Readies James Webb Space Telescope for December Launch”. sorae (2021年12月14日). 2021年12月21日閲覧。
  3. ^ a b c “「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」超低温テストへ 2018年打ち上げ”. sorae.jp. (2017年5月11日). http://sorae.info/030201/2017_05_11_jw.html 2017年9月14日閲覧。 
  4. ^ 秋山文野 (2021年12月23日). “天文学の新たな歴史が始まる。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、12月25日ついに打ち上げへ” (日本語). www.businessinsider.jp. 2021年12月23日閲覧。
  5. ^ ここがすごい!ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡”. ニュースサイト. NATIONAL GEOGRAPHIC 日本版 (2015年4月30日). 2016年9月29日閲覧。
  6. ^ Spectrum59-9 2022, p. 25.
  7. ^ NASA announces more delays for giant space telescope (2018年3月18日)”. AAAS. 2022年1月30日閲覧。
  8. ^ a b Sujata Gupta (2010年11月11日). “Hubble's over-budget successor may be delayed for years”. NewScientist. http://www.newscientist.com/article/dn19718-hubbles-overbudget-successor-may-be-delayed-for-years.html?DCMP=OTC-rss&nsref=space。 2010年11月17日閲覧。 
  9. ^ NASA’s Webb Telescope is an International Endeavor (2020年8月12日)”. NASA. 2022年1月30日閲覧。
  10. ^ a b Telescope debacle devours NASA funds”. FloridaToday.com. 2022年1月30日閲覧。
  11. ^ US lawmakers vote to kill Hubble successor (2011年7月7日)”. SpaceDaily.com. 2022年1月30日閲覧。
  12. ^ Proposed NASA Budget Bill Would Cancel Major Space Telescope (2011年7月7日)”. SPACE.com. 2022年1月30日閲覧。
  13. ^ AAS Issues Statement on Proposed Cancellation of James Webb Space Telescope (2011年7月7日)”. American Astronomical Society. 2022年1月30日閲覧。
  14. ^ NASA budget plan saves telescope, cuts space taxis (2011年11月16日)”. Reuters. 2022年1月30日閲覧。
  15. ^ Lee Billings (2010). “Space science: The telescope that ate astronomy”. Nature 467: 1028 - 1030. doi:10.1038/4671028a. https://www.nature.com/articles/4671028a. 
  16. ^ NASA Acknowledges James Webb Telescope Costs Will Delay Other Science Missions (2011年11月8日)”. SPACE.com. 2022年1月30日閲覧。
  17. ^ JWST launch slips to November (2021年6月2日)”. SpaceNews. 2022年1月30日閲覧。
  18. ^ THE NEXT GENERATION SPACE TELESCOPE (NGST)”. 2022年1月30日閲覧。
  19. ^ a b c d e Tony Reichhardt (2006). “Is the next big thing too big?”. Nature 440: 140-143. doi:10.1038/440140a. https://www.nature.com/articles/440140a. 
  20. ^ Problems for JWST (2005年5月21日)”. Space Politics. 2022年1月30日閲覧。
  21. ^ JWST price tag now put at over $8bn (2011年8月23日)”. BBC. 2022年1月30日閲覧。
  22. ^ NASA Assures Skeptical Congress That the James Webb Telescope Is on Track”. SCIENTIFIC AMERICAN. 2022年1月30日閲覧。
  23. ^ NASA Delays Launch of James Webb Space Telescope Until 2020 (2018年3月28日)”. Space.com. 2022年1月30日閲覧。
  24. ^ a b Webb Space Telescope Launch Date Update – James Webb Space Telescope” (英語). blogs.nasa.gov. 2021年12月21日閲覧。
  25. ^ NASA’s James Webb Space Telescope to be Launched Spring 2019”. アメリカ航空宇宙局 (2017年9月29日). 2017年10月2日閲覧。
  26. ^ Mike Wall (2019年8月28日). “NASA's James Webb Space Telescope Is Finally 100% Assembled” (英語). Space.com. 2019年9月3日閲覧。
  27. ^ Dunbar, Brian (2018年6月28日). “NASA Completes Webb Telescope Review, Commits to Launch in Early 2021” (英語). アメリカ航空宇宙局. https://www.nasa.gov/press-release/nasa-completes-webb-telescope-review-commits-to-launch-in-early-2021 2018年6月28日閲覧。 
  28. ^ James Webb Space Telescope IRB Report and NASA Response (PDF)” (英語). アメリカ航空宇宙局 (2018年6月26日). 2018年6月30日閲覧。
  29. ^ 次世代宇宙望遠鏡「ジェイムズ・ウェッブ」来年10月31日に打ち上げへ” (日本語). sorae 宇宙へのポータルサイト (2020年7月17日). 2020年8月9日閲覧。
  30. ^ Potter, Sean (2020年7月16日). “NASA Announces New James Webb Space Telescope Target Launch Date”. NASA. 2020年8月9日閲覧。
  31. ^ Margetta, Robert (2021年9月8日). “NASA Readies James Webb Space Telescope for December Launch”. NASA. 2021年9月9日閲覧。
  32. ^ 打ち上げ2か月前の宇宙望遠鏡「ジェイムズ・ウェッブ」仏領ギアナに到着”. 2021年10月13日閲覧。
  33. ^ 松村武宏. “新型宇宙望遠鏡「ジェイムズ・ウェッブ」打ち上げ予定日が数日延期される” (日本語). sorae 宇宙へのポータルサイト. 2021年11月23日閲覧。
  34. ^ We have LIFTOFF of the @NASAWebb Space Telescope!” (英語). Twitter (2021年12月25日). 2021年12月25日閲覧。
  35. ^ James Webb Space Telescope en route to L2; deployment sequence underway (2021年12月27日)”. 2022年1月30日閲覧。
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  40. ^ Webb Begins Its Months-Long Mirror Alignment”. NASA. 2022年1月30日閲覧。
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  48. ^ Spectrum59-9 2022, p. 29.
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  50. ^ アストロピクス編集部 (2022年6月10日). “ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主鏡に微小な流星物質が衝突! その影響は?” (日本語). アストロピクス. 2022年7月15日閲覧。
  51. ^ 1兆円以上がつぎ込まれ稼働したばかりの「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」に微小隕石が衝突” (日本語). GIGAZINE. 2022年6月19日閲覧。
  52. ^ ウェッブ望遠鏡の鏡に微小隕石が衝突、画像公開の予定に影響なし” (日本語). CNN.co.jp. 2022年6月19日閲覧。
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  55. ^ ウェッブ宇宙望遠鏡による写真をさらに公開=NASA” (日本語). BBCニュース. 2022年7月15日閲覧。
  56. ^ ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した深宇宙の絶景写真が大量公開、ついに初期イベント5天体の写真が出揃う” (日本語). GIGAZINE. 2022年7月15日閲覧。

参考文献[編集]

  • Hecht, Jeff; Poter, Ned; Koziol, Michael (Sept 2022). “Inside the Universe Machine”. IEEE Spectrum 59 (9). 

関連項目[編集]

外部リンク[編集]