NASA のハビタブルワールド天文台の計画が進行中 8 月初旬、科学者と技術者がカリフォルニア工科大学の小さな講堂に集まり、地球に似た惑星上の生命を検出できる初の宇宙望遠鏡の構築について話し合いました。提案されているミッションコンセプトは「ハビタブル世界天文台（HWO）」と呼ばれ、NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）に続く強力な天体物理学観測台となる。

この技術は、星の光を隠して、星の周りを回る惑星の存在を明らかにするために使用されます。

星や銀河、そして系外惑星として知られる太陽系外の惑星を含む他の多くの宇宙物体を研究する能力を持つことになる。系外惑星で生命を発見するのは遠い目標かもしれないが、カリフォルニア工科大学のワークショップの目的は、BGI が他の惑星で生命を探索するために必要な技術のレベルを評価することであった。

「ミッションを設計する前に、主要な技術をできる限り開発する必要があります」と、HWO技術評価グループ(TAG)のメンバーであり、デイビッド・モリスロー天文学教授であり、カリフォルニア工科大学がNASAのために管理するジェット推進研究所(JPL)の上級研究員でもあるディミトリ・マウェット氏は語る。私たちは技術的に成熟した段階にあります。この考えは、コスト超過のリスクを最小限に抑えながら、ハビタブルワールド天文台が革新的な科学的成果をもたらすことを可能にする技術をさらに進歩させることです。」

潜在的に居住可能な惑星になる最も有望な候補の一つである岩石系系外惑星ケプラー 186f についてのアーティストの印象ですが、生命を維持するには地球とどの程度似ているのでしょうか、それとも違うのでしょうか?画像クレジット: NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech。

HWOは、米国科学アカデミーの2020年天文学および天体物理学の10年調査（Astro2020）の一環として、1930年代後半または2040年代前半に開始される予定です。このミッションの観測時間は、一般的な天体物理学と系外惑星の研究に分けられます。

「10周年記念調査では、このミッションが天体物理学に変革をもたらす能力をもたらすとともに、私たちの地球外の太陽系全体を理解することができるため、このミッションを最優先事項として推奨しています」とカリフォルニア工科大学のハロルド・A・ローゼン物理学教授であり、物理・数学・天文学部門のケント・クレサおよびジョイス・クレサ・リーダーシップ・チェアであり、Astro202010周年記念調査の2人の共同議長のうちの1人であるフィオナ・ハリソン氏は述べた。報告します。

技術の進歩と課題

系外惑星の大気を特徴づけ、生命の可能性のある兆候を探索する宇宙望遠鏡の能力は、遠くの星からのまぶしさを遮断する技術にかかっています。星の光を遮断する主な方法は 2 つあります。1 つは望遠鏡内のコロナグラフと呼ばれる小さなバッフルです。もう 1 つは、スターシェードと呼ばれる、望遠鏡の外側にある大きなバッフルです。宇宙では、スター シールドは、以下に示すように、巨大なひまわりの形をした構造に拡張します。

このアニメーションでは、スター シールドのプロトタイプが示されています。スター シールドは、将来の宇宙望遠鏡で惑星の写真を撮影できるように、星のまぶしさを遮断するように設計された巨大な構造物です。出典: NASA

どちらの場合も、星の光が遮られ、近くの惑星から反射されたかすかな星の光が透けて見えるようになります。このプロセスは、笑顔の友人を写真に撮るときに手で太陽を遮るのと似ています。惑星の光を直接捉えることで、研究者は分光計と呼ばれる他の機器を使用してそれらの光を精査し、化学的特徴を探すことができます。遠く離れた恒星を周回する惑星に生命が存在する場合、その生命の集団的な吸入と吐出がバイオシグネチャーの形で検出できる可能性があります。

「私たちの銀河系のハビタブルゾーンだけでも、地球サイズの惑星が数十億個あると推定されています」と、JPLのNASAの系外惑星探査プログラムの主任技術者ニック・シーグラー氏は語った。 「ハビタブルゾーンとは、温度が液体の水に適した星の周囲の領域のことです。」成長地域。私たちはこれらの系外惑星の大気を調査し、酸素、メタン、水蒸気、その他生命の存在を示す可能性のある化学物質を探したいと考えています。私たちは、小さな緑色の人間を探すのではなく、これらの重要な化学物質のスペクトル シグネチャー (バイオシグネチャーと呼んでいます) を見たいと考えています。」

シーグラー氏によると、NASAはHWO構想のコロナグラフルートに焦点を当てることを決定しており、これはNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡への最近の投資に基づいており、最先端のコロナグラフを使用して巨大ガス惑星系外惑星の画像を撮影する予定である。 (カリフォルニア工科大学の IPAC はローマ科学サポート センターの本拠地です)。現在、コロナグラフは、周回軌道の JWST、ハッブル、地上の天文台など、他のいくつかの望遠鏡でも使用されています。

MITのサラ・シーガー氏は、カリフォルニア工科大学シンポジウムで「居住可能な世界天文台のためのスターライト抑制」と題した講演を行った。出典: カリフォルニア工科大学

イノベーションと将来の展望

マビットは、W.M. で使用される機器であるコロナグラフを開発しました。ハワイ島のマウナケア山頂にあるケック天文台。ボルテックスコロナグラフとして知られる最新バージョンのコロナグラフはマビットによって発明され、ケック惑星イメージング・特性評価装置 (KPIC) に組み込まれており、研究者はこれを使用して、若く暖かいガス巨大系外惑星の熱放射を直接画像化して研究することができます。コロナグラフは星の光を打ち消し、恒星よりも100万倍暗い惑星の写真を撮ることができます。これにより、研究者は若いガス巨大系外惑星の大気、軌道、回転特性を詳細に記述することができ、他の太陽系の形成と進化に関する疑問に答えるのに役立ちます。

しかし、双子地球惑星（私たちが知っている生命が最も繁栄する可能性が高い惑星）を直接画像化するには、既存の技術の大幅な改善が必要になります。ハビタブルゾーン内で太陽に似た恒星の周りを周回する地球のような惑星は、恒星のまぶしさによって簡単に隠されてしまいます。たとえば、私たちの太陽は地球の100億倍強力です。コロナグラフでこのレベルの星明かり抑制を達成するには、研究者は技術を極限まで推し進める必要がありました。 「星明かり抑制の必要なレベルに近づくにつれて、課題は指数関数的に増加します」とマービット氏は述べた。

NASAの系外惑星探査プログラムの技術マネージャーであるニック・シーグラー博士の説明を通じて、コロナグラフの動作原理とそれが系外惑星の直接画像化にどのように役立つかを詳しく紹介しました。出典: NASA

カリフォルニア工科大学のワークショップの参加者は、機器内の超高精度の変形可能なレンズで光波を制御するコロナグラフ技術について議論しました（上のビデオを参照）。コロナグラフは星の光の大部分を遮断しますが、迷光は依然として最終画像に入り込み、スポットとして表示されます。研究者らは、何千ものプッシュロッドを使って可変鏡の反射面を押したり引いたりすることで、残留する星の光のスポットを除去することに成功した。

近々登場するナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、このタイプのコロナグラフを初めて使用する予定で、ミラーが能動的に変形するため「アクティブ」タイプと呼ばれます。 JPLでさらなるテストが行​​われた後、ローマのコロナグラフは最終的にNASAのゴダード宇宙飛行センターの最終望遠鏡に組み込まれ、遅くとも2027年までに宇宙に打ち上げられる予定です。ローマのコロナグラフを使用すると、天文学者は恒星よりも10億倍暗い系外惑星の画像を撮影できるようになります。これには、成熟したガス惑星と若いガス惑星、および惑星形成時に残された破片の円盤が含まれます。

JPLのローマコロナグラフ技術専門家であるヴァネッサ・ベイリー氏は、「ローマコロナグラフは、太陽系外生命探査におけるNASAの次のステップである。今日の望遠鏡と居住可能な世界の天文台との性能差は、一度に埋めるには大きすぎる。ローマコロナグラフの目的は、その中間への足がかりとなることである。コロナグラフマスクや可変鏡を含むいくつかの必要な技術を、地球外では決して達成されたことのない性能レベルで実証することになる」と述べた。研究室。」

太陽に似た恒星の周囲にある地球の双子を直接画像化することを目指すということは、ローマンのコロナグラフの技術をさらに推し進めることを意味する。 「ミラーをピコメートルレベルまで変形できる必要があります」とマービット氏は説明します。 「私たちはローマのコロナグラフの約100倍、星の光を抑制する必要があります。このワークショップは、技術的なギャップがどこにあるのか、そして今後10年間にさらなる開発が必要なところはどこなのかを理解するのに役立ちます。」

ワークショップで議論されたその他のトピックには、コロナグラフで使用するのに最適な主鏡タイプ、ミラーコーティング、微小流星体によるミラーへの損傷への対処、変形可能ミラー技術、統合モデリングと設計のための検出器と高度なツールが含まれていました。エンジニアはスター シールドとその技術的準備状況に関する最新情報も提供しました。

地球の双子への道を発見する

同時に、技術が進歩し続けるにつれて、他の科学者も星に注目し、HWO が画像化できる地球に似た惑星を探しています。現在までに 5,500 個を超える系外惑星が発見されていますが、それらのどれも真に地球に似た惑星ではありません。カリフォルニア工科大学主導のケック天文台の新しいケック惑星探査機（KPF）のような惑星探索ツールは、星が周回するときに星に及ぼす引力を探すことで惑星を発見するのにすでに優れています。より重い惑星は、恒星に近い惑星と同様に、より大きな引力を及ぼします。 KPF は、恒星に近い小さな赤い星のハビタブルゾーン内で地球サイズの惑星を見つけるように設計されています。今後数年間で、KPF は改良を続け、地球の双子を検出できるようになるかもしれません。

1930 年代後半から 1940 年代前半に HWO が発足するまでに、科学者たちは、探査対象となる少なくとも 25 個の地球に似た惑星のカタログを作成したいと考えています。

前途には長い道のりがあるにもかかわらず、シンポジウムに参加した科学者たちは、国中からパサデナを訪れた同僚たちとこれらの課題について熱心に話し合った。 JPL所長ローリー・レーシン氏（89年修士、95年博士）は会議の冒頭で感動的なスピーチを行った。 「これはエキサイティングで難しい挑戦です。しかし、それがまさに私たちがやるべきことです。私たちは一人でこれと戦っているわけではありません。私たちは協力する必要があります。」と彼女は言いました。