ジェームズ・ウェッブ望遠鏡が天文学をどう変えるか

2021 年のクリスマスの日にアリアン 5 ロケットがフランス領ギアナから打ち上げられたとき、そのロケットには夢の積荷、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が積まれていました。 それらの夢は、かつてないほど宇宙の彼方、最初の銀河が形成された時代を覗き見したいと願う天文学者たちのものでした。 塵の雲を突き抜けて星の誕生を目撃する。 そして、系外惑星の大気を調査して、生命が存在する可能性があるかどうかを確認します。 宇宙で 1 年以上を経て、JWST はそれらの夢を現実に変え始めています。

最新の宇宙望遠鏡には、これまでのミッションに比べて大きな利点があります。 何よりもまずそのサイズです。JWST は、18 個の金メッキの六角形セグメントで構成される 6.5 メートルのミラーを備えています。 この巨像は、ハッブル宇宙望遠鏡の 2.4 メートルの鏡の 6 倍以上の光を集めるため、前モデルよりも 6 倍の速さで物体からの光を記録できます。

しかし、JWST の赤外線に対する感度は、真のゲームチェンジャーです。 宇宙望遠鏡は、可視スペクトルの赤色端から中赤外線まで、0.6 ～ 28.5 マイクロメートルの波長を観測できます。 ハッブルの光学系は、0.09 マイクロメートル (紫外線) から 2.5 マイクロメートル (近赤外線) の放射線を記録するように最適化されており、その感度の大部分は可視光に集中しています。 おそらく驚くべきことかもしれませんが、JWST は、対象とする赤外線領域では、一般に、ハッブルが光学光で達成するよりも細かい詳細を解像しません。解像度はミラーのサイズとともに増加しますが、波長とともに減少します。

赤外線で観察することで、天文学者はビッグバンから 10 億年以内に存在した銀河を見ることができます。 これらの遠方の物体は紫外線と可視光線を放射しますが、宇宙の膨張により、この放射はより長い赤外線波長にシフトします。 赤外線を覗いてこれらの若い銀河を地球の近くから観察する唯一の方法です。 新しく形成される星にも同じことが当てはまります。 生まれたばかりの太陽を包む塵は可視光を散乱させ、その中にあるものを私たちの目から隠しますが、赤外線はほとんど透過させます。

人間には赤外線が見えません。 したがって、JWST 画像の色は目に見えるものと一致しません。 多くの場合、科学者は、目の仕組みを模倣して、より長い赤外線波長を可視スペクトルの赤色端に、より短い波長を青色にマッピングします。 ただし、詳細をより鮮明に示すために、このパターンが変更される場合もあります。

JWSTは2021年末に打ち上げられたが、宇宙天文台が地球から約93万マイル（150万キロメートル）離れたL2ラグランジュ点を周回する本拠地に到着するまでに29日かかり、科学者や技術者が望遠鏡の準備を整えるのにさらに5か月かかった。デビュー。 これまでの成果のほとんどは、早期リリースの科学プログラムと科学運用の最初のサイクル (サイクル 1) からの提案から得られています。 この望遠鏡の最も興味深い初期の発見のいくつかを探ってみましょう。

JWST は、遠方の銀河や星の形成に焦点を当てているにもかかわらず、多目的天文台です。 その強力な赤外線の目は、従来の望遠鏡では届かない太陽系天体の詳細を観察します。 初期の観測には、ガスと氷の巨大惑星の雲帯の研究が含まれます。 土星最大の衛星タイタンの雲の形成を追跡。 冥王星の気候を調査する。 そして、太陽系の外側に存在する多くの小型小惑星や海王星横断天体の探査も行っています。

JWSTは、NASAの二重小惑星リダイレクトテスト（DART）が衝突した9月に小惑星衛星ディモルフォスを観測したこともある。 この衝撃により、親天体ディディモスの周りの物体の軌道がわずかに変化し、宇宙機関が地球の進路を横切る可能性のある潜在的に危険な小惑星の進路を変更する能力を評価するのに役立ちました。

宇宙望遠鏡を太陽系全体の惑星気象衛星と考えるのは、それほど突飛な話ではありません。 私たちが土星を最後に間近で見たのは、2017 年 9 月にカッシーニ探査機が環状惑星に衝突する直前でした。そして、1980 年代後半にボイジャー 2 号が天王星や海王星を通過して以来、探査機が天王星や海王星を訪れたことはありません。 しかし、JWST はこれらの世界の嵐システムを非常に詳細に表示できます。

海王星は昨年7月に望遠鏡の監視下に置かれた。 氷の巨人の目に見える表面のほとんどは、大気中のメタンガスが近赤外線を吸収するため、暗く見えます。 しかし、メタン氷の雲がいくつか明るく輝いており、地球の地球循環のヒントが赤道をなぞる細い線として現れています。 この循環により、他のどの惑星よりも速く吹く海王星の嵐や強力な風が発生します。 JWST はまた、1989 年にボイジャー 2 号が世界を訪問して以来、最も鮮明な海王星の環の眺めを提供しました。

惑星科学者たちが太陽系の多くの魅力的な秘密を明らかにしようと取り組んでいるにもかかわらず、銀河系にある 5,000 を超える既知の系外惑星は依然として謎のままです。 私たちは通常、その軌道やその大きさや質量を知っていますが、その他のほとんどの情報は地球上の望遠鏡やハッブルさえも届かないところにあります。 しかし、JWST はすでに現状を変え始めています。

JWST の科学者にとって系外惑星はどのくらい重要ですか? 彼らは、サイクル 1 の観察時間のほぼ 4 分の 1 を、これらの世界とそれを形成する物質の研究に割り当てました。

系外惑星を発見するように設計されたものではありませんが、JWST は、地球から 41 光年離れたオクタンス座にある赤色矮星 LHS 475 の周りに系外惑星を確認しました。 NASA のトランジット系外惑星調査衛星 (TESS) は、この星に惑星が存在する可能性があることをほのめかしましたが、惑星が星の円盤の前を横切る、または通過することによって引き起こされる明るさのわずかな低下を確認するには、新しい宇宙望遠鏡が必要でした。 この惑星は岩石のように見え、その直径は地球よりわずか 1% 小さいですが、私たちの故郷の世界との類似点はそこまでです。 わずか 2 日で太陽の周りを一周し、その温度は地球よりも数百度高いです。

しかし、JWST の本当の強みは、系外惑星の大気を分析する能力にあります。 これを達成するには、望遠鏡は強力な分光器でトランジットを観察する必要があります。 惑星が地球とその主星の間を通過するとき、その大気は星の光の一部の波長を遮断します。 すべての原子や分子には明確なスペクトルの指紋があるため、天文学者はこれらの世界の化学組成を研究することができます。

系外惑星の研究者が興味を持っている分子のほとんどは、スペクトルの赤外線部分にあります。 ハッブルはその観測結果で科学者をからかうことができますが、JWST は科学者の欲求を満たしてくれるでしょう。

同天文台の最初の系外惑星ターゲットは、700光年離れたおとめ座の太陽に似た恒星の周りを周回する高温ガス巨大惑星、WASP-39 bだった。 JWST の優れた解像度により、水、二酸化硫黄、一酸化炭素、ナトリウム、カリウム、そして、系外惑星で初めて二酸化炭素が明らかになりました。 この惑星が華氏 1,650 度 (摂氏 900 度) の温度で光るのは、温室効果の暴走によるものではなく、恒星からわずか 452 万マイル (727 万 km) の距離を周回しているためです。 (それに比べて、水星は太陽から約 5,790 万 km [3,600 万マイル] 離れたところを周回しています。)

惑星とその主星はすべて、天文学者が星雲と呼ぶ、ガスと塵が豊富な恒星の培養器の中で形成されます。 しかし、これらの雲は、たとえそれが美しいとしても、少なくとも可視光の下では、内部で起こっている重要な活動を覆い隠します。 JWST の赤外線ビジョンは、これらの環境を開拓し始めています。

最初の標的の 1 つは、へび座のワシ星雲 (M16) のごく一部で、ハッブル宇宙船は 1995 年にこの星雲を有名にしました。ドラマチックな「創造の柱」の画像は、TIME 誌の最も影響力のある写真 100 枚のリストにランクインしました。時間。 JWST は、地球から 6,500 光年離れたこの象徴的な星形成領域の同様に素晴らしい眺めを捉えました。ハッブルがほとんど不透明な塵と冷たいガスを観察したのに対し、JWST は、多くの星がすでに出生の繭から出てきていることを明らかにしました。 これらの生まれたばかりの星のほとんどは、暗い柱の外側に現れ、その回折スパイクによってその姿を明らかにします。これは、JWST のような反射望遠鏡で撮影された画像の特徴です。

これらの幼い太陽は、その核で核融合を起こし、本格的な星になるまでの時間がありました。 しかし、JWSTは、まだ周囲からガスや塵を引き込んでいる原始星として知られるさらに若い天体を発見しました。 そのような若者は定期的に物質のジェットを吐き出し、密集した周囲に衝突して放射を引き起こします。 最も良い例は、2 つの下部の柱の先端近くで明るい赤色が光ることです。 天文学者らは、原始星の年齢はわずか数十万年であると推定している。

もちろん、星の形成は宇宙全体で発生しており、JWST の科学者は、銀河系外での星の形成のさまざまな表現の探求に熱心に取り組んできました。 当社のローカル グループ内には 2 つの主要な拠点があります。 天の川銀河の中で最も重い 2 つの衛星銀河である大マゼラン雲と小マゼラン雲は、宇宙の解読に大きな役割を果たしています。

それは、この 2 つの銀河に含まれる金属（大質量星内で調理されるヘリウムより重い元素）の量が、天の川銀河の量の約半分であることが判明したためです。 これらの条件は、宇宙が誕生してわずか 20 億年か 30 億年で、銀河が最高の速度で星を大量生産していた時代の条件を模倣しています。 このいわゆる宇宙の正午の花火は、当時の銀河を形作り、今日私たちが見ている銀河に影響を与え続けています。

マゼラン雲の中で、大きな雲のタランチュラ星雲 (NGC 2070) ほどこの混沌とし​​た時代を反映しているものはありません。 (タランチュラ星雲の詳細については、2021 年 9 月号の「タランチュラ星雲のもつれを解く」を参照してください。) 局地宇宙最大の星形成領域であるタランチュラは、猛烈なペースで新しい星を形成します。 天文学者はこれまでに約 82 万個の星のカタログを作成しており、この星雲に含まれる水素とヘリウムの広大な貯蔵庫は、さらに数十万個の恒星に適しているはずです。 R136 と呼ばれるその中心にある輝く星団には、少なくとも太陽質量 100 個以上の重さの星が数十個含まれています。

JWST の最初の観察により、タランチュラが前例のないほど詳細に明らかになりました。 R136 の巨大な星からの激しい放射線と恒星風により、この星雲の中央領域にある大きな泡が取り除かれました。 この猛攻撃に抵抗できるのは、独自のベビースターを抱えている可能性が高い周囲の最も密度の高い地域だけです。 この星雲は地球からわずか 16 万光年の距離にあり、宇宙規模では目と鼻の先にあるため、タランチュラは天文学者に宇宙の真昼をより深く探査する際に遭遇するであろう状況をクローズアップで見ることができます。

多くの場合、近くの物体を観察することで、研究者はより遠くの物体をよりよく理解できるようになります。 マゼラン雲での星の形成が遠い宇宙の同様の領域に光を当てるのと同じように、太陽系の惑星は系外世界の研究に情報を与えます。 同様に、相互作用する銀河を研究することは、宇宙の激動の初期の時代を理解するという最終目標に直接つながります。

しかし、近くの領域は、より古く、より遠い環境の類似物として機能することがよくありますが、JWST は宇宙の黎明期に形成された古代の銀河を直接観察するように設計されており、天文学者はこの機能のテストを楽しんできました。

JWST の最初の画像の 1 つ (そして最初に公開された画像) は、南の星座うらら座にある銀河団 SMACS 0723 の深視野写真でした。 露光には 12.5 時間かかりましたが、ハッブルのさまざまな深視野では数週間かかり、ハッブルが観測できるよりもさらに暗くて遠い銀河を記録しました。

SMACS 0723 は「わずか」 46 億年前に出現したものです。 しかし、この銀河団の巨大な質量のおかげで、その背後にある物体を拡大したり歪めたりする重力レンズとして機能するため、ビッグバンから 10 億年以内に存在した銀河を見ることができます。 ご想像のとおり、フィールド内で最も小さな銀河は最も遠くにあります。 興味深いことに、これらの銀河は、地球に近い、より成熟した渦巻銀河や楕円銀河とはまったく似ていません。しかし、これまでに最も重要な発見は、おそらく、これまでに観察された中で最も遠い 2 つの銀河でしょう。 科学者たちは、スカルプターにある巨大銀河団エイベル 2744 を重力レンズとして使用し、ビッグバン (138 億年前に発生) からわずか 4 億 5,000 万年後と 3 億 5,000 万年後に存在していた 2 つの島宇宙を発見しました。 これらの銀河は非常に明るく見え、おそらくビッグバンからわずか 1 億年後に集合し始めたと考えられます。 研究者らは、これらの銀河に暗い星がたくさんあるのか、それとも数個の非常に明るい「人口III」の星がいくつかあるのか、まだわかっていない。仮説上の大質量星は、宇宙を飾った最初の星である水素とヘリウムだけで構成されているという。

JWST によるアリアン 5 ロケットの飛行は非常に順調に進んだため、NASA は現在、この天文台には少なくとも 20 年間は運用できる十分な燃料があると推定しています。 つまり、科学、発見、美しい画像はまだ始まったばかりです。