望遠鏡のしくみ：光学望遠鏡、電波望遠鏡、宇宙天文台の解説

望遠鏡の基本的な役割は、人間の目が捉えられるより多くの電磁放射を集め、それを焦点に合わせることです。望遠鏡の主鏡、レンズ、またはアンテナの直径（開口）は、2つのことを決定します。米国国立電波天文学天文台（NRAO）によると、どれだけ暗い光を集められるか、そしてどれだけ細かく細部を分離できるかです。開口が大きいほど、より暗く、より遠い天体が見え、より細かい構造が見えてきます。

光学望遠鏡：レンズ、鏡、そして大気の問題

古典的な光学望遠鏡は、レンズ（屈折式）または鏡（反射式）を使用して可視光を集めます。例えば、ハッブル宇宙望遠鏡は反射式設計を使用しています。光は2.4メートルの凹面主鏡に当たり、約0.3メートルの小さな副鏡に反射し、主鏡の穴を通して科学機器に到達します。NASAゴダード宇宙飛行センターによると述べられています。リッチー・クレチェン設計と呼ばれるこの2鏡構成は、広い視野にわたってイメージを鮮明に保つよう設計されています。

地上では、最高のサイトでも大気の乱流に悩まされ、星をまたたかせ、細部をぼやかします。これはヨーロッパ南天天文台（ESO）によると述べられています。ESOはチリで非常に大型望遠鏡を運用しています。ESOの対策は適応光学です。波面センサーが星の光がどのように歪んだかを測定し、コンピュータ制御の変形可能な鏡がリアルタイムで歪みを補正します。目標の近くに明るい天然の星がない場合、ESOは強力なレーザーを上層大気に発射して人工参照星を作成します。ESOはこの補正により、地上の可視波長での画像が宇宙望遠鏡の画像とほぼ同じくらい鮮明になると述べています。これは宇宙望遠鏡の費用のほんの一部です。

いくつかの望遠鏡が地球を離れなければならない理由

地球の大気は単に画像をぼやかすだけでなく、波長全体をブロックしてしまいます。天文学教育サイトのLas Cumbres Observatoryによると、大気はほとんどの紫外線、X線、ガンマ線、そしてほとんどの赤外線放射を吸収または反射し、主に可視光、いくつかの赤外線、および電波スペクトラムの一部を通します。これが、ブロックされた波長を研究するために構築された天文台（X線に焦点を当てたChandra天文台、ガンマ線Fermiスペース望遠鏡、SpitzerやHerschelなどの赤外線ミッション）が、山頂ではなく大気より上を周回する必要がある理由です。

X線望遠鏡は、可視光の望遠鏡とは完全に異なる光学設計が必要です。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのChandra X線センターによると、X線光子は非常にエネルギッシュなため、弾丸が壁を通り抜けるのと同じように、従来の鏡に正面からぶつかると貫通してしまいます。Chandraの解決策は、鏡を角度を付けて配置し、X線が浅い掠め角で当たり、水の上で石が跳ねるのと同じように焦点に反射するようにすることです。Chandraは4つの樽形鏡ペアを使用します。これらはわずか数原子の滑らかさまで研究され、イリジウムでコーティングされ、約1.3マイクロメートル以内に配置されています。これは人間の髪の毛の幅のほんの一部です。Chandra X線センターによると述べられています。

赤外線の巨人：ダストを通して見る、そして時間を遡る

ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、可視赤からミッド赤外線の波長で光を検出するために構築されており、およそ0.6から28.8マイクロンをカバーしています。NASAによると述べられています。その主鏡は18個の六角形の金コーティングセグメントにわたって6.6メートル広がっており、ハッブルの約5.6倍大きい集光面積を提供します。金が選ばれたのは、赤からミッド赤外線光を特に良く反射するからです。NASAは、このサイズと波長範囲の組み合わせにより、Webbは130億光年以上離れた銀河の暗い赤外線光を検出できると述べています。その赤外線光は、ハッブルの機器が検出できるほとんどの可視光をブロックするダスト雲の密集を通り抜けることができます。Webbは太陽・地球ラグランジュ点（L2）を周回し、地球から約150万キロメートル離れており、そこで太陽と地球の両方の暖かさと光散乱効果から遠ざかっています。

電波望遠鏡：1つの巨大な目として機能する皿

電波望遠鏡は、天文学者が使用する最も長い波長の光を集めます。約1ミリメートルから10メートル以上です。NASAOによると述べられています。各アンテナは放物面の皿を持っており、受信機に入ってくる電波を焦点に合わせます。受信機は信号を増幅して分析します。NASAOは、このプロセスが光学望遠鏡とよく似たように機能していますが、はるかに弱く、はるかに長い波に調整されていると述べています。NASAOは、研究されている電波信号は非常に微弱であることに注意しており、その推定によると、典型的な携帯電話の信号は、これらの望遠鏡が検出する宇宙電波の約10億倍強力であると述べています。

単一の皿は解像度の問題に直面しています。角度解像度は波長をアンテナ直径で割ったものに依存し、電波波長は非常に長いため、Green Bank Telescopeのような大きな皿でも、単独では光学望遠鏡の細かい細部に相当することができません。NASAOが述べています。解決策は干渉法です。多くの皿を長距離にわたって連結させ、それらが1つのより大きな望遠鏡として機能するようにします。NASAOは、Very Large Array（27の動作可能な皿プラス1つのスペア）をニューメキシコに持ち、約40マイルのレール軌道を使用した構成に広げることができ、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA）はチリの66の皿を連結する例として引用しています。このアプローチは、銀河をマッピングし、ブラックホールを検出し、最も初期の宇宙構造を研究するために使用されます。

• 可視光望遠鏡（地上または宇宙ベース）は、人間の目が見るであろう星、銀河、および星雲をキャプチャします。
• Webbなどの赤外線望遠鏡は、ダスト雲を透して見え、最も遠い、最古の既知の銀河の一部に到達でき、NASAによると述べられています。
• Chandraなどのブラックホール。
• VLAおよびALMAなどの電波望遠鏡アレイは、多くの皿を1つの有効な機器に組み合わせることで、冷たいガス、遠い銀河、ブラックホール環境をマッピングします。NASAOによると述べられています。