宇宙望遠鏡が地上の天文台では見えない光を捉える仕組み

恒星と銀河からの光は宇宙を旅する際に多くの形をとり、人間の目で見える可視光だけではありません。紫外線、赤外線、X線、ガンマ線は、熱い若い恒星、冷たいダスト雲、爆発した恒星、ブラックホールに関する情報を運んでいます。しかし地球の大気は、NASA Scienceとヨーロッパ宇宙機関（ESA）によると、その光のほとんどが地上に到達する前に吸収するか、かき混ぜてしまいます。

地球の大気が障壁となる理由

ESAの説明によると、大気は赤外線天文学に2つの異なる問題を引き起こします。まず、ほとんどの赤外線波長を直接吸収し、地上の望遠鏡に到達できるのはほんの限定的なバンドだけです。次に、大気自体が赤外線で発光し、天文学者が研究しようとしている暗い宇宙天体よりも多くの放射を放出することがあり、信号がノイズに埋もれてしまいます。

ESAはさらに、大気がほとんどの高エネルギー放射と紫外線、X線、ガンマ線、およびほとんどの紫外線をブロックしていることに言及しています。NASAによると、同局のX線観測所ChandraはX線が地表に到達しないため、地球からおよそ139,000キロメートル（86,500マイル）という高度を周回しており、これはHubbleの約200倍の高さです。

望遠鏡を大気の上、または地球からはるかに遠く配置することで、これら両方の問題を一度に解決できます。光を吸収する空気は存在せず、それを圧倒する大気の発光もありません。

異なる望遠鏡、異なる光

主要な宇宙観測所はそれぞれスペクトラムの特定の部分に調整されています。1990年に打ち上げられたHubbleは、主に紫外線と可視光（0.1～2.5マイクロン）を観測し、NASA Scienceによると、地球上およそ300マイル（483 km）の高度を周回しており、時折のサービス任務が可能な高度です。2021年12月に打ち上げられたJames Webb Space Telescopeは赤外線光のために設計され、地球からおよそ100万マイル離れた第2ラグランジュポイント（L2）付近に配置されており、ここではJWST自体の熱と地球の熱が検出しようとしている微弱な赤外線信号を妨害しません。

Webbの主焦点鏡は6.5メートル（21.3フィート）で、Hubbleの2.4メートル（7.9フィート）と比較すると、光の集光面積は6倍以上あります。NASA Scienceによると、Webbはフェッブルが検出可能な光の最大100倍暗い天体を検出できます。宇宙の膨張により最も遠い最古の銀河からの光が赤外線波長へと赤方偏移するため、Webbの赤外線感度によってHubbleの紫外線・可視光観測装置では達成できない、より遠い宇宙の過去を観測することができます。

Webbは異なる赤外線帯域用の専用観測装置を搭載しています。その近赤外線カメラ（NIRCam）は0.6～5マイクロンをカバーし、NASA Scienceの装置ページによればWebbの主要な近赤外線撮像装置として機能します。中赤外線装置（MIRI）は5～28マイクロンをカバーし、カメラ、光をスペクトラムに分割して各波長での明るさを測定する分光計、および恒星の眩しさをブロックして近くの暗い惑星が見えるようにするコロナグラフを組み合わせています。MIRIは自身の検出器がWebの残留熱で盲目になることを防ぐため、観測所の他の部分より低い温度に保つ必要があり、追加の冷凍機が必要です。

すべての宇宙観測所が画像を生成するわけではありません。ESAのGaia宇宙船は2013年12月19日に打ち上げられ、L2付近に配置されており、銀河系の20億以上の恒星の極めて正確な3次元地図を構築し、それらの動き、光度、温度、組成を追跡しています。ESAのGaia任務ページによると、Gaiaは前身のHipparcos衛星と比較して位置精度を100倍向上させました。このミッションは2024年のセンサーと微小隕石の問題に直面した後、運用後段階に移行しました。

スペクトラムの高エネルギー領域では、1999年7月23日に打ち上げられたNASAのChandra X線天文台が、爆発した恒星、銀河団、ブラックホール周囲の物質など、極めて高温の現象からのX線を検出しています。これはNASAの天体生物学任務ページに記載されています。

データを組み合わせる

ESAのHerschelプロジェクト科学者Göran Pilbrattは、特に恒星と惑星がどのように形成されるかを研究するための赤外線観測の価値について述べています：「赤外線で観測することで、私たちは形成プロセスがしばしば涼しくほこりっぽい場所で起こるため、物がどのように形成されるのか、その最初の段階を研究できます」とESAによると彼は語っています。赤外線光は可視光を遮るダスト雲を通過でき、WebbのNIRCamやMIRIなどの装置が星雲内に隠された新生恒星と惑星を見ることを可能にします。

単一の望遠鏡がスペクトラム全体をカバーしていないため、天文学者は日常的に複数の観測所からのデータを組み合わせます。NASA ScienceはHubbleとWebbを競合相手ではなく補完的なパートナーとして説明しています。Webbの深い赤外線観測能力はダストとガスを貫通し、Hubbleの可視光と紫外線観測がWebbの赤外線観測を補完し、同じ天体についてより広い視点を一緒に生成します。