[비즈한국] ハッブル宇宙望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の系譜を継ぐ、また一つの宇宙望遠鏡が宇宙へと旅立った。去る8月30日（現地時間）、米国ケネディ宇宙センター第39発射台からファルコンヘビーロケットに搭載されて打ち上げられた「ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡」である。
ローマンを一言で言えば、ハッブルと同じサイズの瞳を持ちながら、ハッブルの約100倍もの広大な空を一度に見渡せる望遠鏡だ。ハッブルでは100年かかる規模の観測を、わずか1ヶ月で遂行できるほど、広大な宇宙を高速でスキャンする。特定の天体を深掘りして観測する従来の宇宙望遠鏡とは、その性格からして異なる。
「ハッブルの母」、ナンシー・グレース・ローマン
ナンシー・グレース・ローマンは、宇宙望遠鏡という概念自体がまだ聞き慣れず、懐疑的に受け止められていた1959年、NASAで宇宙天文学プログラムを率いた人物だ。その後、議会の厳しい承認を取り付け、後のハッブル宇宙望遠鏡へとつながる偉大な夢を現実にする上で重要な役割を果たした。このため、彼女はしばしば「ハッブルの母」と称される。
現在、ローマン宇宙望遠鏡と呼ばれるこの望遠鏡の元の名前は、より平凡なものだった。広い視野で赤外線の宇宙を観測するという意味を込めて「WFIRST（Wide Field Infrared Survey Telescope）」と呼ばれていた。しかし、2018年にナンシー・ローマンがこの世を去った後、彼女の功績を称えてその名が冠された。ハッブルの誕生に貢献した人物が、今度は別の宇宙望遠鏡の名前となって宇宙を見つめることになったのだ。
ハッブルと同じ鏡で100倍広い空を見る
ローマンの主鏡の直径はハッブルと全く同じ2.4mだ。複数の鏡を組み合わせてはるかに巨大な主鏡を持つジェイムズ・ウェッブと比較すると、小さく感じるかもしれない。しかし、ローマンの真髄は鏡のサイズではなく、光学系と観測方式にある。
ハッブルが狭い領域を深く精密に覗き込むことに特化しているなら、ローマンは一度に広大な領域を同等の精度で観測するように設計されている。
一般的な望遠鏡では、集められた光は視野の中心部で最も鮮明に結像する。一方、ローマンは非常に広い画角を一度に確保する必要があるため、中心を取り囲む広い領域でも均一な画質を維持できるように光学系が構成されている。検出器もまた、望遠鏡の視野の中心だけに集まっているのではなく、広い焦点面を効率的にカバーするように配置されている。
ローマンの広視野カメラの画素数は約3億画素に達する。1画素がカバーする空の範囲は約0.11秒角であり、1回の撮影で捉えられる面積は満月よりも広い。ハッブルの視野と比較すれば、実に100倍に相当する。
しかし、単に視野を広げるだけではすべてが解決するわけではない。狭い視野なら中央のターゲットだけを鮮明にすればよいが、視野が広がれば1画面に入る星と銀河の数が激増する。画面のどの位置にあろうと天体を同等の鮮明さで捉え、広い焦点面全体にわたって星の光を安定して結像させなければならない。ローマンには、まさにこれを実現するための精密な光学技術が結集されている。
なぜローマンが必要なのか
すでにハッブルやジェイムズ・ウェッブをはじめとする複数の宇宙望遠鏡が活動しているにもかかわらず、新しいローマンが必要な理由は明確だ。ローマンの担う役割が、既存の望遠鏡と完全に異なるからである。
特定の時点において、ローマンが観測できる領域は全天の約59%に達する。ローマンはハッブルのように遠く離れた個々の天体を長時間深く観測するというよりは、広い宇宙を高速でスキャンし、超新星、系外惑星、銀河といった多種多様な天体や現象を発見する「探査望遠鏡」に近い。
ローマンが広い宇宙を先に見渡して珍しい天体を発見すれば、その後ハッブルやジェイムズ・ウェッブがその対象をより深く、鮮明に観測できる。広い領域からターゲットを見つけ出すローマンと、特定の天体を精密に覗き込むハッブル・ジェイムズ・ウェッブの間で、効率的な役割分担が可能になるのだ。
この点で、ローマンの任務はむしろ先に宇宙へ送られた欧州宇宙機関（ESA）のユークリッド宇宙望遠鏡と似ている。ユークリッドは約1万5000平方度の広大な宇宙を観測する。ローマンの調査領域はこれより小さいが、より高い空間分解能で宇宙を見つめる。
最近本格的な観測を開始したチリのベラ・C・ルービン天文台も、32億画素の巨大カメラで可視光の空を高速でスキャンする。ルービン天文台はローマンよりも視野がはるかに広大だが、地上望遠鏡であるため大気の妨害から逃れることはできない。その代わり、同じ空をルービンは可視光で、ローマンは近赤外線で観測する。両者のデータを組み合わせれば、波長によって変化する数多くの天体の特性を比較できる。
ローマンが描き出す巨大な宇宙地図は、宇宙全域に潜むダークマター（暗黒物質）とダークエネルギーを研究する上で重要な役割を果たす。第一の手法は重力レンズだ。宇宙の随所に存在するダークマターは時空を歪め、その背後から来る銀河の姿を微細に歪曲させ、引き伸ばす。
銀河一つだけを観測してはその本来の姿を知ることができないため、観測された銀河がどれほど歪んでいるかを正確に判断するのは困難だ。しかし、数億個の銀河の形状を一括して観測し、統計的に比較すれば話は変わってくる。銀河の画像が平均してどの方向に、どれだけ曲がっているかを分析することで、その間に存在するダークマターの分布を逆に追跡できる。ローマンの広い視野は、こうした微弱な重力レンズ効果を大規模に測定するのに特に有利だ。
銀河の分布で宇宙膨張の歴史を読み解く
第二の手法は、宇宙空間における銀河の3次元分布を描き出すことだ。
ローマンに搭載された分光器で個々の銀河のスペクトルを測定し、赤方偏移を割り出せば、銀河までの距離を推定できる。これにより、空に見える2次元の位置だけでなく、距離に応じた深さ情報まで含む巨大な銀河地図を作ることができる。
ここには、ビッグバン後の初期宇宙で物質と光が結びついていた時期に作られた痕跡である「バリオン音響振動（BAO）」も残っている。銀河が平均してどの程度の間隔で分布しているかを測定し、その間隔が宇宙の歴史とともにどのように変化したかを追跡すれば、宇宙膨張の歴史を明らかにできる。
これは結局、宇宙にダークマターとダークエネルギーがどれほど存在し、ダークエネルギーが宇宙膨張にどのような影響を及ぼしてきたかを知る重要な手がかりとなる。
第三の手法は、時間とともに変化する宇宙の姿を反復観測することだ。
ローマンは同じ空を一定の周期で繰り返し観測する。同じ領域を何度も撮影すれば、数日の間に突然現れたり消えたりした天体を発見でき、一定周期で明るくなったり暗くなったりする星の光の変化も捉えられる。
こうした時系列観測により、天文学者たちは2万個を超える新しい超新星を発見できると期待している。超新星は宇宙の進化を把握する上で非常に重要な天体だ。極めて明るいため非常に遠距離からでも観測可能であり、特定の種類の超新星は天文的な距離を測定する「標準光源」として活用される。ダークエネルギーという概念が登場したのも、超新星を利用して遠い銀河までの距離を測定し、宇宙膨張の歴史を調査した研究がきっかけだった。
特に銀河の空間分布と超新星を利用した二種類の観測は、近年の宇宙論においてさらに興味深い意味を持つようになった。宇宙全域でバリオン音響振動を測定した最近の研究は、ダークエネルギーが時間とともに変化し、その強さが弱まっている可能性を示唆している。一方で、超新星の明るさ自体が宇宙の時代に応じて少しずつ変化していた可能性も指摘されている。この場合も、ダークエネルギーが常に一定ではない可能性と結びつく。
長年、宇宙論最大のミステリーの一つであったダークエネルギーの正体を巡り、新たな論争が始まる時点にある。まさにこの時、ローマンが遂行する大規模な銀河地図と超新星観測は、極めて重要な意味を持つ。
ローマンがもたらすもう一つの革命、データ
ローマンの重要な革新は観測装置だけでなく、データを扱う方法にもある。ローマンは1日平均約1.4TBの観測データを生成する予定だ。5年間で蓄積されるデータの総規模は約20PB（ペタバイト）に達する。ハッブルが過去数十年間で蓄積した全データよりもはるかに膨大な規模だ。
さらに重要なのは、このデータが特定の研究チームに独占されるのではなく、前処理が終わり次第、世界中の天文学者に公開される予定だという事実である。
ただし、データの規模があまりに大きいため、すべての資料を個人用コンピュータにダウンロードして分析するのは現実的ではない。その代わり、巨大なデータを一箇所に保管し、研究者がクラウド環境に接続して必要な分析を行う方式が重要となる。
データの量が人間が一人で逐一確認できるレベルを超えているため、人工知能（AI）と機械学習の役割も大きくなる。実際の観測と類似した高精細画像を生成し、数多くの銀河を自動分類し、突然明るさが変化する特異天体を見つけ出す機械学習ツールが開発されている。
かつては膨大な天文データを分類するために、世界中の市民が参加する「市民科学プロジェクト」が重要な役割を果たした。今や、そのように蓄積された市民科学の成果が再び優れた学習データとなり、AIを訓練させている。人間が分類した宇宙を学習したAIが、今度はより広大な宇宙を迅速かつ効率的に分析する時代の幕開けである。
広大で精密な新しい宇宙
ハッブルとジェイムズ・ウェッブが見せてくれた宇宙は、すでに人類に深い印象を残した。しかし、ローマンは彼らとはまた別次元の望遠鏡だ。ハッブルとジェイムズ・ウェッブが宇宙の特定の小さな領域を深く、精密に掘り下げたなら、ローマンはそれに劣らぬ精密な瞳で、はるかに広い宇宙を一度に見渡す。ローマンが撮影する写真一枚には、明るい星数個や華やかな銀河一つだけが収まるのではない。数多の星と銀河が同時に記録され、その間を埋めるダークマターの分布と宇宙膨張の歴史までが刻まれることになる。
宇宙を眺める新しい目が開かれれば、私たちが知っていた宇宙の姿もまた変わる可能性がある。ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡が映し出す次の宇宙は、ハッブルとジェイムズ・ウェッブが切り拓いた宇宙とはまた別の姿をしているはずだ。
筆者チ・ウンベ：猫と宇宙を愛する。幼少期に「銀河鉄道999」を見て、宇宙の美しさを広める夢を抱く。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、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。『天文学者の無用さについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かび上がる奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などの翻訳を手がけた。