すべての宇宙望遠鏡は同じ基本的な役割を果たしています。微かで遠い光源からできるだけ多くの光を集め、検出器に焦点を当てることです。その光がどのように集められるか、そしてどの波長が捕捉されるかは、ミラーの設計と望遠鏡が宇宙のどこに位置するかに依存しています。これはNASAの望遠鏡科学の概要によって説明されています。
そもそも、なぜ宇宙に望遠鏡を置くのか 地上の望遠鏡は地球の大気圏を通して観測しています。ここで変動する空気の流れが入ってくる光をゆがめます—これは星が瞬いて見える現象と同じです。NASAのHubbleプログラムページによると、この動きは地上から撮影した画像をぼかし、大気はまた紫外線と赤外線放射のほとんどを地表に到達する前に吸収してしまいます。
Hubbleは地球から約300マイル上空を周回することで、このような大気によるぼけを回避でき、同等の地上望遠鏡よりも約10倍暗い物体を検出することができます。NASAによると、宇宙望遠鏡はまた悪天候、日光、または都市光害に邪魔されることなく、継続的に観測することができます。
レンズだけでなくミラーを使用 初期の望遠鏡は光を曲げるためにガラスレンズを使用していました。これは屈折型と呼ばれる設計です。NASAの「Telescopes 101」の説明によると、大きなレンズは重くなり打ち上げが難しくなるため、ほとんどの現代の望遠鏡は曲面ミラーを使用する反射型望遠鏡です。ミラーは同じサイズでより薄く軽くすることができるためです。
典型的な反射型設計では、光は放物面のような形をした大きな主鏡に当たり、小さな副鏡に跳ね返ります。James Webb Space Telescopeの場合、NASAのWebbのミラーに関する説明では2つのステップが追加されます。副鏡からの光は凹面の三次ミラーに反射し、その後科学機器に到達する前に平らな微調整ステアリングミラーに反射されます。
異なる望遠鏡、異なる光 可視光、紫外線、赤外線はすべて同様の形状のミラーで焦点を合わせることができますが、異なるコーティングが施されています。Webbの18個の六角形の主ミラーセグメントはベリリウム金属で作られており、金の100ナノメートル層でコーティングされています。NASAのWebbのミラーに関する説明によると、赤外線光を効率的に反射するために特に調整されています。対照的に、Hubbleは紫外線、可視光、近赤外線光を集めるために設計されています。
エックス線は異なる振る舞いをします。通常のミラーを単に貫通するか、吸収されてしまい、壁に銃弾が当たるのと同じようなものです。ハーバード大学のChandra X-ray Centerが説明しているように。Chandraのミラーは代わりに、イリジウムでコーティングされたネストされた円筒形の形をしており、エックス線は正面からではなく浅い「掠過角」でのみ反射されます。Chandraは4つのネストされたミラーペア、合計8つのミラーを使用し、1.3マイクロメートル以内に研磨・調整されています。
ガンマ線はさらにエネルギーが高く、従来の光学系を直進してしまいます。NASAは、Fermiなどのガンマ線望遠鏡が代わりに、ガンマ線がタングステンなどの密度の高い物質に衝突したときに生成される粒子を追跡する検出器を使用していることに注意しています。ミラーで光線を焦点を当てるのではなく、それらの粒子トラックから光線の発生源を再構成しています。
主要な宇宙望遠鏡の比較 望遠鏡 検出される主な光 ミラー設計 位置 Hubble 紫外線、可視光、近赤外線 単一反射ミラー 地球低軌道、約300マイル上空 James Webb 赤外線（0.6–28.8マイクロメートル） 18個の金でコーティングされたベリリウム六角形セグメント、直径6.5 m 太陽-地球 L2周辺のハロー軌道、地球から約150万 km Chandra エックス線 4つのネストされた円筒形掠過角入射ミラーペア、イリジウムコーティング 高楕円地球軌道 Fermi ガンマ線 ミラーなし；タングステン板を備えた粒子追跡検出器 地球低軌道
なぜ位置が重要なのか：Webbの遠い軌道 WebbはHubbleのように地球の周りを密接に周回していません。NASAのミッション情報によると、Webbは第2太陽-地球ラグランジュ点であるL2の周りをループしており、地球から約150万キロメートル離れており、約6ヶ月ごとに1周を完成させています。その場所では、太陽、地球、月は宇宙船の一方の側に位置し、Webbのテニスコート大のサンシェード（日よけ）が彼らの熱と光を継続的にブロックすることができます。
そのシールドは本質的に必要です。Webbは赤外線光を観測するためで、これは本質的に熱です。NASAによると、望遠鏡は極端に低い温度で動作します—Webbの軌道ページによると、約マイナス370度ファーレンハイト—太陽または地球からのいかなる迷いの熱も検出器を赤外線ノイズで満たし、遠い銀河からの微かな信号を圧倒しません。
単に遠いだけでなく、過去を見ること 光は固定で有限の速度で移動するため、宇宙をより遠く見ることはより過去に遡ることを意味します。NASAのWebbの科学概要によると、望遠鏡は130億光年以上離れた銀河からの赤外線光を検出することができます—これは今日捕捉されている光が130億年以上前にそれらの銀河を離れたことを意味します。宇宙がまだ若い時代のことです。光を観測することは、実質的には、光が今のそれではなく、光が出発した時点でのオブジェクトの状態を示します。
Webbはその古い光を分析するために4つの科学機器を搭載しています。近赤外線画像分光法用のNIRCamとNIRSpec、中赤外線観測用のMIRI、およびNASAの望遠鏡概要によると、NIRISSインストルメントと対になった微細誘導センサー。
エックス線光子はミラーに浸透する方法が、銃弾が壁に当たると同じ方法で浸透するのと同じです。
— Chandra X-ray Center, Harvard ミラーから地球上の画像へ 現代の宇宙望遠鏡は写真フィルムを使用していません。NASAの望遠鏡の動作方法に関する説明によると、ミラーで焦点を合わせた光は電子検出器に落ちます。これは光をデジタル信号に変換します。これらの信号は搭載されたコンピューターに保存され、地球上の地上局に送信されます。そこで科学者は公開されるデータを画像に再構成します。
