[비즈한국] NASAは今後どのようなミッションを行うのか？数年以内にまたどのような新しい宇宙探査ミッションが進められるのか、その未来を予測できる場所がある。米国立科学アカデミー（NAS）では、毎年天文学者が集まり、10年後にどのような探査を行うかという長期計画を構想する。直近の計画ではなく、10年後、さらには数十年先までを見据える。そのため、毎回新しく発表される彼らの「10年調査（Decadal Survey）」を見れば、現在の天文学界がどのような未来に向かって進んでいるのかを確認することができる。
1972年、天文学者たちは今後10年以内に、宇宙で直接紫外線、可視光線、赤外線にわたる多様な光で宇宙を観測する大型宇宙望遠鏡を構想した。この構想案は、後にハッブル宇宙望遠鏡へとつながった。2001年には、ビッグバン直後の初期宇宙を集中的に観測するための新しい超大型宇宙望遠鏡が新たな目標であると宣言し、次世代宇宙望遠鏡（NGST、Next Generation Space Telescope）への資金投入を最優先とした。歴史的な宣言から20年が過ぎた後、この望遠鏡はジェイムズ・ウェッブという名前を冠して宇宙へと旅立った。
それでは、今、天文学者たちが夢見る10年、20年先の宇宙探査はどこに向かっているのだろうか？天文学者たちの新たな関心は、地球外生命体、そして彼らが住んでいるかもしれない惑星を探すことに向かっている。生命体だけを見つけるための新しい望遠鏡を構想しているのだ。
2023年に発表された抱負は壮大だ。我々の銀河系を漂う数億個の星々の周辺から、できる限り多くの惑星を見つけることである。これまで最も精力的に系外惑星を狩ってきたのは、間違いなくケプラー宇宙望遠鏡だ。ケプラー宇宙望遠鏡は5000個を超える系外惑星を発見した後に引退した。その跡を継いでTESSが打ち上げられ、候補惑星まで合わせると、現在までに発見された系外惑星の数は1万個を超えている。
しかし、これでは満足できない。確実に生命体が住んでいる系外惑星を発見したことは、まだ一度もないからだ。天文学者たちは今、系外惑星、そして生命の兆候である「バイオシグネチャー」を探すことに特化した新しい宇宙望遠鏡を構想している。計画によれば、望遠鏡の直径は6メートル程度で、ジェイムズ・ウェッブと似ている。ただし重要な違いがある。赤外線のみを観測するジェイムズ・ウェッブとは異なり、この新しい望遠鏡は赤外線、可視光線、そして紫外線まで多様な波長の光をすべて観測できる。これは元々二つの別々のプロジェクトであったものを統合した計画だ。
「LUVOIR（Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor：大型紫外線・光学・赤外線観測装置）」という、非常に率直な名前を掲げたプロジェクトがある。10〜15メートルサイズの巨大な宇宙望遠鏡を打ち上げ、赤外線、可視光線、紫外線に至る幅広い波長の光を高解像度で観測しようというものだ。カール・セーガン生誕100周年を記念して2034年に打ち上げようという提案もあるが、あまりに巨大な望遠鏡計画であるため、実現の可否はまだ不透明だ。
もう一つのプロジェクトとして「HabEx（Habitable Exoplanet Observatory：居住可能系外惑星観測所）」がある。同じく系外惑星を専門に探す新しい宇宙望遠鏡だ。ケプラー宇宙望遠鏡をはじめとする既存の多くの観測では、系外惑星が星の前を横切る際に星の光がわずかに暗くなる「トランジット法」が主に使われてきた。しかしHabExは、より積極的な方法を構想している。望遠鏡が狙う星の前に巨大な人工遮蔽板（スターシェード）を浮かべ、最初から星の光の妨害を最小限に抑えるという方法だ。そうすれば、明るい星の光の中に隠れていた系外惑星の姿を、実際の写真としてより鮮明に確認できる。
今回新たに発表された計画は、LUVOIRとHabEx、二つのプロジェクトを調和させたものだ。通称「居住可能な世界のための観測所（Habitable Worlds Observatory）」、略してHWOと呼ぶ。HWOは単に他の星の隣に惑星があるかどうかを探すだけが目標ではない。正確に生命の兆候まで把握することを目標としている。
すでにジェイムズ・ウェッブが打ち上げられ活躍している中で、あえてHWOを打ち上げる必要があるのだろうか？ジェイムズ・ウェッブはもちろん素晴らしいが、現実的かつ重要な限界がある。ジェイムズ・ウェッブは系外惑星専用の望遠鏡ではない。ビッグバン直後の初期宇宙、太陽系の惑星、星や銀河が誕生する現場など、多様な天文学的課題を遂行する一種の多目的望遠鏡だ。系外惑星の観測は、ジェイムズ・ウェッブが担う全ミッションの一部にすぎない。そのため、系外惑星や生命の兆候を探索する時間を十分に確保するのが難しいのだ。
科学的な問題もある。生命の兆候を把握するには、結局のところ系外惑星の大気成分を知る必要がある。ジェイムズ・ウェッブも既存の他の観測と同様に、系外惑星が星の前を横切るトランジットの瞬間に大気成分を把握する。星の光の一部が系外惑星の大気を通過する際、スペクトルに残された化学的な痕跡を通じてその成分を推定するのだ。
しかし、この方式には長い待ち時間が必要となる。一度の観測だけでは、十分な良いデータを得ることは難しい。次の周期まで待って、系外惑星が再び星の前を横切る瞬間を待たなければならない。このように数回にわたって繰り返しトランジットを目撃しなければ、統計的に有意なデータを収集できない。
トランジット方式そのものに内在する問題もある。前述の通り、十分なデータを集めるにはトランジットを何度も目撃する必要がある。したがって、公転周期が短い系外惑星の方が観測しやすい。わずか数日、数週間待てば次のトランジットを見ることができるからだ。しかし、これは別の問題につながる。公転周期が短いということは、それだけ中心星に系外惑星が張り付いているということだ。つまり、系外惑星の公転軌道が小さすぎる。星に近すぎるため、系外惑星は星の表面で爆発するフレアに晒されやすい。星自体が暗く、系外惑星の温度が適当であっても、フレアに一度見舞われれば生命体はすぐに消えてしまう可能性がある。結局、トランジット法だけに依存することは、最初から生命の兆候を期待しにくい系外惑星ばかりを見るというバイアスを生む可能性がある。
この限界を克服するために、HWOは大きく二つの方法を採用する予定だ。まずは「コロナグラフ」だ。HabExが構想する星光遮蔽板の原理を活用するものである。望遠鏡に星の光が入ってくる経路の途中に、小さく丸い遮蔽板を一つ挟み込む。そうすれば星の光は遮られ、その周辺に隠れていた暗い系外惑星が姿を現す。実際、この方式はすでにジェイムズ・ウェッブでも試みられており、続いて打ち上げられるもう一つの次世代宇宙望遠鏡、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡でも活用される予定だ。
この方式の最大の利点は、わざわざ系外惑星のトランジットに頼る必要がないという点だ。実際、トランジットにはもう一つ致命的な問題がある。それは、運良く系外惑星の軌道が星の前を横切るほど角度が傾いている場合にのみ活用できるということだ。軌道傾斜角が少しでもズレていれば、系外惑星がどれほど軌道を回っても星の前を隠すことはなく、有意な光の減少を見ることができない。
しかし、コロナグラフは単に星を遮った状態で、その周囲に隠れていた系外惑星を直接撮影する方法だ。したがって、トランジットの可否にかかわらず活用できる。これまで系外惑星の軌道が激しく傾いていたためにトランジットでは存在すら確認できず、見逃されていた系外惑星をより多く発見できるようになるだろう。
ただし、まだ技術的に解決すべき難関が残っている。究極的に我々が探そうとしているのは、木のような巨大惑星ではなく、地球のように小さな岩石型惑星だ。ところが、系外惑星のサイズが小さければ、当然その表面に反射した星の光も暗くなる。明るい星の光の中に隠れている系外惑星を検知するには、極めて明るい光と暗い光を区別できる「極限の感度」が必要だ。同じ写真の中で、明るい星の光に比べて実に100億倍も暗い小さな斑点まで感知できなければならない。現在の技術では、最も明るい光に対して1億倍暗い天体までがやっと感知できるレベルであり、まだ道のりは遠い。光学技術を総動員して今後解決すべき重要な課題の一つだ。
HWOに搭載されるもう一つの特別な技術は「IFU（Integral Field Unit：積分フィールド分光器）」だ。既存の観測は、系外惑星の光を丸ごとスペクトル分析していた。しかしIFUは、系外惑星の画像とスペクトルをより小さな複数のピクセルに分割して観測するようなものだ。系外惑星の光を一つにまとめて見るのではなく、惑星表面のどこで生命の兆候がより鮮明に観測されるかを細かく見極めることができるようになる。
すでにNASAはHWOの予算を編成し、打ち上げ日程も議論している。2040年代に宇宙へ打ち上げる計画だ。まだ少し遠い未来の計画のように感じられるかもしれないが、絶対に実現しないと思われていたジェイムズ・ウェッブの打ち上げが実現し、その成果が日を追うごとに積み上がっている今の状況を考えれば、HWOが現実になる日もすぐに来ると思う。
一方、ESA（欧州宇宙機関）でも、系外惑星と生命の兆候を専門的に探索する新しい宇宙望遠鏡を構想している。NASAのHWOに比べればサイズは小さいが、議論がかなり進んでおり、計画によれば2029年頃というかなり早い時期に打ち上げる予定だ。ESAが準備している系外惑星探索望遠鏡の名前は「Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey（系外惑星大気遠隔観測赤外線大規模サーベイ）」、略して「エリエル（ARIEL）」と呼ぶ。アニメ『リトル・マーメイド』の主人公の名前と同じだ。地球のように液体海を湛えている可能性が高い系外惑星を探すという目標を掲げているという点において、非常にセンスの良い名前だと言える。
エリエルは現在のジェイムズ・ウェッブのように、月の軌道を超えたL2ポイントに送る予定だ。エリエルのサイズはそれほど大きくない。ユニークなことに、内部には楕円形で歪んだ形状の鏡が組み込まれており、鏡のサイズは長径が約1メートル、短径が約70センチメートル程度だ。エリエルは可視光線と赤外線の領域にわたり、1000個を超える多様な系外惑星の大気成分をより精密に調査する予定である。米国立科学アカデミーの10年調査と同様に、ESAでも毎年、今後の宇宙探査計画の全体像を示す「コスミック・ビジョン（Cosmic vision）」を発表しているが、エリエルはまさに新しく確定した計画だ。
HWOとエリエルの両方に、既存の地上や宇宙望遠鏡とは異なる重要な違いがある。それは、完全に系外惑星、特にその大気成分を把握することを主目的としている点だ。例えばジェイムズ・ウェッブはもちろん赤外線を観測するが、銀河や星のような他の天体もまんべんなく観測しなければならないため、系外惑星のより多様な大気成分を把握するのに役立つ様々な赤外線波長までは見られない設計になっている。多様な目的をすべて達成するために、ある程度妥協せざるを得なかったのだ。しかしHWOとエリエルは、最初から系外惑星の大気圏を主目的としているため、その分野に特化した設計が可能となっている。
今後10年、20年の間に人類が最も注目し努力すべき目標として、天文学界のほとんどが系外惑星、および地球外生命体の探索を掲げている点は非常に興味深い。それだけ、つい最近までSF小説の扱いを受けていた「系外惑星」や「地球外生命体」という分野の地位が、どれほど高まったのかを実感させられる。
振り返ってみると、これまで多くの系外惑星が新しく発見され、地球外生命体の存在可能性を真剣に悩む天文学者たちは着実に増えてきたが、系外惑星と生命の兆候のみを目標にする専門的な宇宙望遠鏡は、ほとんど作られてこなかった。（ケプラー宇宙望遠鏡はあったが、ケプラーも系外惑星の大気圏まで詳しく見てはいなかった。）ある意味、私たちはこれまで一度も地球外生命体の兆候をまともに覗き込んだことがなかったのかもしれない。今ようやく、心の準備をすべて整えて、本格的な最初の探査を夢見ている段階なのだろう。
参考
https://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel_moves_from_blueprint_to_reality
https://arielmission.space/index.php/press-releases/
https://nap.nationalacademies.org/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛している。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて、銀河同士の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。