 | 観測装置の進化 |  |
|---|---|---|
| ― 限界への挑戦 ― | ||
京都大学 大学院理学研究科 宇宙物理学教室
岩室 史英
〒606-8502 京都市左京区北白川追分町
e-mail: iwamuro@kusastro.kyoto-u.ac.jp
TEL: 075-753-3891 / FAX: 075-753-3897
| 宇宙の大きさ |
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太陽を水素原子の大きさにすると...
＝ 
https://soho.nascom.nasa.gov/ https://www.jaxa.jp/projects/sas/solar_b/index_j.html
太陽から木星までの距離は...
＝ 
https://hubblesite.org/contents/media/images/2014/24/3368-Image.html
ウィルス程度、
隣の星(プロキシマ・ケンタウリ)までの距離は...
＝ 
https://apod.nasa.gov/apod/ap020715.html
米粒程度、
オリオン星雲までの距離は...
＝ 
https://www.messier.seds.org/m/m042.html
人間程度、
銀河系中心までの距離は...
＝ 
ビル程度、
アンドロメダ銀河までの距離は...
＝ 
http://www.messier.seds.org/more/m031_m2.html
町程度、
最も近い銀河団までの距離は...
＝ 
https://www.messier.seds.org/more/m087_etc.html
都道府県程度、
ちょっと離れた銀河団までの距離は...
＝ 
https://hubblesite.org/contents/media/images/2010/26/2758-Image.html
日本程度、
我々の見ることのできる宇宙の果てまでの距離は...
＝ 
https://hubblesite.org/contents/media/images/2014/27/3380-Image.html
地球程度となります。つまり、
原子より遥かに小さい所から地球規模のサイズのものを観測
しているわけです。
これほど大きな宇宙を観測するには、少しでも大きな望遠鏡が必要です。
ここからは限界に挑戦してきた近代望遠鏡の歴史を見てみましょう。
| 近代望遠鏡の歴史 |
|---|
望遠鏡の機械的構造部分を架台といいます。架台の構造は
赤道儀と経緯台、大きく分けて2つの種類があります。
赤道儀：北極星方向の軸の回転により天体を追尾する方式。
制御はしやすいが軸を斜めにするため構造的に不安定。
1908年 Mt.Wilson 60 インチ望遠鏡
近代望遠鏡のさきがけとなった望遠鏡。
フォーク型赤道儀、口径1.5m
https://www.mtwilson.edu/news/?cat=59&order=asc
1917年 Hooker 100 インチ望遠鏡
上記60インチ鏡を製作した Ritchey が鏡を製作。
ヨーク型赤道儀、口径2.5m
https://www.mtwilson.edu/news/?cat=59&order=asc
1948年 Hale 200 インチ望遠鏡
上記２つの望遠鏡を建設した Hale が計画(完成前に他界)。
熱膨張率の低いパイレックスガラスを初めて使用した。
ホースシュー型赤道儀、口径5m
https://sites.astro.caltech.edu/palomar/about/telescopes/hale.html
Hale 200 インチ望遠鏡(本体重量 530 トン)の写真をみると分るように、
回転軸が斜めの赤道儀架台では既に限界の大きさに達しています。
経緯台：方位と高度を決める２つの軸の回転で天体を追尾する方式。
構造的に安定しているが、複数の軸の非等速回転制御が必要。
追尾に伴い視野が回転するため、観測装置を回転させる機構も必須。
1974年 BTA-6
口径6m、経緯台式の画期的な望遠鏡だったが、かなり苦労したようだ。
http://www.lomo.ru/company/history/put-flagmana/
1980年～ CCD の登場
写真乾板から CCD になったことで、感度が40倍になり観測精度も向上。
https://www.cfht.hawaii.edu/Instruments/Imaging/CFH12K/
M78 散光星雲の写真乾板と CCD での見え方の違い。
この時代は口径 3～4m の高性能望遠鏡 + CCD カメラでの観測が主流です。
90年台に入ると、観測天文学に革命をもたらす２大望遠鏡が現れます。
1990年 HST
口径2.4mだが、大気の影響のない宇宙から観測できるため、
現在でも可視光では世界最高の解像度を持つ。鏡面研磨ミスが
修復された1993年より、本来の性能が発揮できるようになった。
https://hubblesite.org/
1993年 Keck I
直径 1.8m の六角形の鏡36枚を用いた分割鏡望遠鏡。有効口径10mの集光
力は圧倒的で、90年代後半の観測天文学は HST と Keck の独壇場であった。
1996年にはすぐ隣に Keck II が完成した。
https://www.keckobservatory.org/
2005年 LBT
直径 8.4m の鏡2枚を用いた双眼望遠鏡。有効口径は 11.9m で現在世界最大。
光学系や架台構造などの設計方針は独自路線をとっており、非常に興味深い。
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 https://www.lbto.org/ |
これまでの近代望遠鏡の歴史をまとめると下図のようになります。
望遠鏡の主鏡のタイプにより以下のように色分けされています。
● 通常の鏡：ガラスの固まりで厚さは直径の 1/8 程度。 |
日本のすばる望遠鏡は8m メニスカス鏡グループの左から２番目上側の点です。
すばる望遠鏡最大の特徴は、広い視野が観測できる主焦点を持つことです。
https://subarutelescope.org/jp/
望遠鏡の口径を比較すると以下のようになります。
(LBT は2つの鏡の面積を1つの円として表しています)
望遠鏡はどんどん大きくなり、検出器の感度も限界となってきました。
ここで、暗い天体を観測するために必要な条件をまとめてみましょう。
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| 広視野・多天体観測装置 |
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広視野撮像装置
とにかく、大面積の検出器を数多く敷きつめることですが、
視野の広い主焦点では巨大な補正レンズが必要となります。
満月 9 個分の視野を持つすばる望遠鏡の主焦点カメラ。
焦点には 2000 x 4000 画素の CCD 116個が置かれています。
https://subarutelescope.org/jp/about/instrument/hsc/index.html
すばる望遠鏡で一度に観測できる視野の発達の歴史。
中には、広視野撮像だけに特化した望遠鏡もあります。
VISTA 4.1m 望遠鏡と満月3個分の視野を持つ赤外線カメラ。
 https://www.eso.org/public/teles-instr/paranal-observatory/surveytelescopes/vista/ |  |
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Pan-STARRS 1.8m 望遠鏡と38400 x 38400 画素の CCD カメラ。
望遠鏡は小型ですが、満月36個分の視野があります。
https://www2.ifa.hawaii.edu/research/Pan-STARRS.shtml
LSST(VRO) 8.4m 望遠鏡は、主鏡を2段形状にした3枚鏡望遠鏡で、大口径ながら
上記 Pan-STARRS と同じ広さの視野を持ちます(CCD カメラは一辺60cm!)。
https://rubinobservatory.org/
アニメーション
このように、広視野撮像装置はどんどん大型化して面積を増やすだけ
なのですが、天体のスペクトルを調べる分光は簡単には行きません。
多天体分光装置
沢山の天体を一度に分光するには、光ファイバーで天体を拾い集めて
並べ変える方法と、目標天体以外の部分をマスクで隠す方法があります。
オーストラリア天文台ファイバー多天体分光器
ロボットアームでファイバー先端の磁石の配置を決めます。
https://astralis.org.au/projects/2df/
すばる望遠鏡主焦点ファイバー多天体分光器
２個の回転軸を持つポジショナでファイバー先端を微小駆動。
分光器は青/赤/近赤外×４組で 2400本のスペクトルを取得します。
https://pfs.ipmu.jp/ja/index.html
ヨーロッパ南天文台多天体撮像分光器
レーザーカッターでマスクを切り、目標天体のみ光を通して分光します。
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| https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/decommissioned/vimos.html | |
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今後、更に広視野・多天体化が進むものと考えられます。
再び、暗い天体を観測するために必要な条件に戻ります。
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| 解像度への挑戦 |
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回折限界とシーイング
通常の望遠鏡は鏡を用いて光を集めますが、光は波の性質を持つため
1点に集めることができません。集められる最小の大きさは「回折限界」と
呼ばれ、望遠鏡の口径が大きく光の波長が短いほど小さくなります。
温度や湿度の違いによる空気の屈折率の微小変化が風で流れることにより、
大気ゆらぎ(シーイング)が発生します。地上からの可視光・赤外線の観測では、
解像度は回折限界ではなく、この大気ゆらぎの大きさによって決まっています。
水中から見上げたときに外の景色がゆらいで見えるのと同じ現象です。
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補償光学 (AO)
明るい星の光の波面の形状を高速で測定し、形状制御した鏡で反射
することで、波面形状を矯正し大気ゆらぎの影響を打ち消す技術です。
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明るい星が無い方向では、レーザーで上空のナトリウム層を光らせて
星をつくります。線状に光りますが真下から見ると点光源に見えます。
https://www2.keck.hawaii.edu/optics/lgsao/
Keck + レーザー参照星AOで取得された我々の銀河中心の赤外線画像。
回折像が見えているため、望遠鏡の回折限界であることがわかります。
https://galacticcenter.astro.ucla.edu/images.html
可視光での AO は現在開発段階なので、可視光での解像度は HST が最高。
https://esahubble.org/images/heic0611b/
現段階で、口径10mの望遠鏡の限界性能を赤外線で出すことができました。
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| 超巨大望遠鏡計画 |
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203?年 TMT
Keck 望遠鏡の技術を応用して建設予定の 30m 望遠鏡。
https://www.tmt.org/
TMT の鏡は 1.44m の六角形の鏡 492 枚で構成されています。
TMT ムービー ,
2029年 GMT
LBT の技術を応用して建設予定の有効口径 22m の望遠鏡。
8.4m ハニカム鏡7枚を使用。6枚目までの製造を既に終了し、
現在最後の１枚を製作中。
https://global.si.edu/projects/giant-magellan-telescope
2029年 E-ELT
ヨーロッパ南天文台が計画する口径 39m の望遠鏡。798枚の分割主鏡を
含む5回反射の独自の光学系で、広視野かつ AO の機能を持つ予定。
https://elt.eso.org/
日本では？
残念ながら、日本では次世代望遠鏡に直結する技術開発の経験がなく、
上記 TMT 計画の 1/5 部分に国際協力という形で参加しています。
京都大学では、次世代望遠鏡のプロトタイプとなる3.8mせいめい望遠鏡を
完成させました。量産できる安価な中口径望遠鏡やさらには次世代の超大型
望遠鏡の建設につなげたいと考えています。
| その他の望遠鏡 |
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2012年 ALMA
南米チリのアタカマ高地で日米欧協力で建設されたの電波干渉計。
口径12mのアンテナ54台と口径7mのアンテナ12台から成る。
http://www.almaobservatory.org/
ALMA を含む地球半球上のミリ波望遠鏡を総動員して
干渉計にするのが Event Horizon Telescope (EHT)。
https://eventhorizontelescope.org/
2019年 KAGRA
スーパーカミオカンデの近くで建設された重力波望遠鏡。
3kmの距離に対し10京分の1mmの変化の測定を目指し
ており、７億光年以内の100万個の銀河のどこかで中性
子星の合体が起これば検出できるとのこと(年に数回)。
https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/
2021年 JWST
2021年12月に打ち上げられた大口径宇宙望遠鏡で、ベリリウムの軽量
分割鏡を用いた主鏡は口径6.5m、折畳んで打ち上げ後に展開した。
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打ち上げと展開 |
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おわりに
原子より遥かに小さい所から地球全体を調べるようなことなので、
ほんの一部しか見ていないのですが、宇宙の歴史が分ってきました。
1月 1日 0:00 | ビッグバンにより宇宙が誕生 |  |
1月 1日 0:15 | 光と物質が分離し、水素原子ができる(宇宙の晴れ上がり) | |
1月 5日頃 | 最初の星が炭素/窒素/酸素の生成を始める | |
すぐにブラックホールができる | ||
この間に宇宙が再電離し、見通しが良くなる | ||
---- 宇宙の夜明け (Cosmic Dawn) ---- | ||
1月 7日 | 既に銀河が存在 |  |
1月15日 | 既に巨大ブラックホール(クェーサー)が存在 |  |
2月 1日 | 既に大銀河団が存在 | |
銀河が合体を繰り返し巨大銀河が成長 |  | |
3月中旬 | クェーサーの数がピークになる | |
巨大銀河の成長がほぼ終了 | ||
---- 宇宙の昼 (Cosmic Noon) ---- | ||
6月上旬 | この頃から宇宙全体での星生成活動が急速に衰え始める | |
9月3日 | 太陽と地球が誕生 |  |
9月21日 | 最初の生命が誕生 | |
12月16日 | 三葉虫など |  |
12月23日 | 超大陸(パンゲア)が形成、昆虫、植物が隆盛 |  |
12月26日 | パンゲアが分裂、恐竜が栄える |  |
12月29日 | プレアデス星団(すばる)誕生 |  |
12月30日 6時頃 | 恐竜が絶滅 | |
12月31日 8時頃 | 類人猿出現 | |
12月31日 20時頃 | 人とチンパンジーが分離 |  |
現在観測されている銀河中心付近の若い星が誕生 | ||
5分前 | ネアンデルタール人 | |
4秒前 | 西暦1年 | |
0.2秒前 | 人間の一生(100年) | |
となります。この続きがどうなるかというと...
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1月3日 | NGC6240 (超巨大BHの合体) からの重力波が到達 |  |
1月13日 | 地球が暑くなりすぎて生命が住めなくなる | |
3月～6月 | 太陽が赤色巨星に膨れあがる | |
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5月～7月 | 銀河系がアンドロメダ銀河と合体する | |
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とまあ恐しいと言えば恐しい結果ですが、ほんの1秒以下の間にこれほど
までの歴史を調べあげるとは、良く頑張ったものだと思いませんか？