巨大で複雑な宇宙望遠鏡の構築に関しては、NASA のような機関はかなり前から計画を立てる必要があります。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はつい最近打ち上げられたばかりですが、天文学者たちはすでにウェッブ宇宙望遠鏡の後に何が起こるかを考えることに忙しく、野心的な計画を持っています。
今後数十年間の天文学研究の大きな計画は、居住可能な惑星を発見すること、さらには地球外に生命の痕跡を探すことさえあるかもしれない。それが、太陽に似た恒星の周囲にある 25 個の地球に似た惑星を発見することを目的とした、現在計画段階にある宇宙望遠鏡であるハビタブルワールド天文台の崇高な目標です。
私たちは、この次世代宇宙望遠鏡の計画に取り組んでいる 2 人の科学者に詳しく話を聞きました。
ダイレクトイメージングの力
太陽系の外に居住可能な惑星を見つける際の大きな課題の 1 つは、これです。惑星は恒星に比べて非常に小さくて暗いため、これらの遠い惑星を実際に直接見ることはめったにありません。したがって、系外惑星を特定するために、天文学者は一般に、その主星に対する影響からその存在を推測します。現在、ハッブル宇宙望遠鏡やジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のようなツールは、惑星が恒星の前を通過するとき（トランジットと呼ばれる）の明るさの低下を探すか、惑星の重力によって引き起こされる星のぐらつきを探すことが最も一般的です。動径速度法といいます。
「 これは私たちが取り組んでいる、何世代にもわたる、おそらく何世紀にもわたる取り組みです。」
これらの方法は私たちに手がかりを与えてくれますが、系外惑星を本当に深く理解するには、それらを直接画像化できる必要があります。非常に高い精度が要求されるため、現在の望遠鏡ではこのようなことができることはほとんどありませんが、科学者たちはすでに系外惑星の画像を撮影できる次世代の宇宙望遠鏡を計画しています。
次に打ち上げられる大きな宇宙望遠鏡は、2027 年に打ち上げられる予定のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡です。この宇宙望遠鏡は、空の調査を行って、居住可能な系外惑星の数を推定します。その後、ハビタブルワールド天文台が登場します。これは、太陽に似た恒星の周囲にある地球に似た系外惑星を直接画像化する計画の宇宙望遠鏡で、2040 年頃に打ち上げられる予定です。これは、居住可能な地球に似た惑星を発見するこれまでで最高のチャンスとなるでしょう。地球外の生命の証拠を探すことができる世界。
適切な波長の選択
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に関するニュースをフォローしている人なら、おそらく、それが電磁スペクトルの赤外線部分で観測していることを聞いたことがあるでしょう。これは、科学者が高レベルの赤方偏移を持つ銀河を観察できるようになるため、最古の銀河を研究するという目標にとって不可欠です。赤外線は、塵の雲を通して覗いたり、隠れてしまう構造物を確認したりするのにも役立ちます。
しかし、ハビタブルワールド天文台の計画は、光と紫外線の波長を調べることです。これらの波長は、水素や酸素などの特定の原子の特徴を識別するのに役立ちます。そのため、惑星に機器を向けて、その大気が何で構成されているかを知ることができます。
どのような特定の原子や化合物を探すかについてはあらゆる種類の選択肢がありますが、現在、いわゆるバイオマーカー、つまり生命の潜在的な存在を示す手掛かりとしては、酸素が主要な選択肢となっています。遠く離れた惑星で酸素を発見したことは、さらなる調査が必要であることを示す兆候かもしれません。
ジョンズ・ホプキンス大学のデビッド・シング氏は、「完璧なバイオマーカーの特徴は存在しない。メタンのような原子も探すことができ、常に偽陽性の可能性があるからだ。しかし、酸素は非常に重要だ」と述べた。
酸素も非常に強い信号を発するため、検出が比較的容易になります。特に、3 つの原子が結合した酸素の一種であるオゾンは、紫外線波長において非常に強い特徴を持っています。地球上のオゾン層が太陽からの紫外線放射からどのように私たちを守っているかを考えてみると、特定の波長の紫外線が遮断されているのを科学者が観察した場合、どのようにして遠い惑星にオゾンが存在するかを推測できるかがわかります。
光学/UV望遠鏡の作り方
光と紫外線の波長に焦点を当てたハビタブルワールド天文台は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡よりもハッブル宇宙望遠鏡に似たものになるでしょう。そして、それは望遠鏡の構築方法に関していくつかの利点をもたらします。
ウェッブのような赤外線望遠鏡は温度に非常に敏感です (物体が熱くなると赤外線を放出するため)。したがって、正確に動作するには、一部の機器ではウェッブをわずか数ケルビンの非常に低い動作温度まで冷却する必要があります。そのため、極低温冷却システムが必要となるため、望遠鏡の構築がより複雑になり、コストが高くなります。
ハビタブルワールド天文台のような望遠鏡の場合、そのような極端な冷却は必要ないため、コストを抑えることができます。
ウェッブのような赤外線望遠鏡と、ハビタブルワールド天文台のような光学/紫外線望遠鏡のもう 1 つの重要な違いは、ミラーです。ウェッブの主鏡は金でコーティングされており、赤外線をよく反射します。しかし、光学/紫外線望遠鏡には銀でコーティングされたミラーがあり、これらの波長をより効率的に反射します。
新しい10年に向けた新テクノロジー
これらはまったく新しい概念ではなく、既存の手段の更新であるため、ある意味、私たちは居住可能な世界を探すためにどのような種類の手段が必要になるかをすでに正確に知っています。
たとえば、ハビタブルワールドの機器はカメラと分光器で構成されているため、ジェームスウェッブやハッブルのものと多少似ています。カメラは他の恒星系で系外惑星を探すために使用され、惑星が特定されると、分光器を使用してさらに詳しく研究できるようになります。分光器は、入射光をさまざまな波長に分割して、どの波長が吸収されたかを確認することによって機能します。それによって、あなたが見ている天体が何で構成されているかがわかります。そしてそれが、系外惑星に大気があるかどうか、そしてその大気が何でできているかを知る方法です。
これらの機器を改良し、より正確にするのは簡単な作業ではありません。直接検出に加えて、次世代宇宙望遠鏡では、系外惑星を識別するために動径速度などの技術も使用されます。そして、より正確な分光器は、極めて高精度の動径速度などの技術を可能にし、太陽のような恒星の周りを周回する系外惑星の質量をより正確に測定できるようになります。
しかし、さらに理論的な進歩も必要です。たとえば、系外惑星についての理解を向上させるために必要な主要な要素の 1 つは、恒星についての理解を向上させることです。星はさまざまな理由で明るくなったり暗くなったりすることがあります。変動が系外惑星の存在によって引き起こされているのか、星の変動によるものなのかを判断したい場合は、これをより正確にモデル化できる必要があります。
居住性の追求
しかし、最新技術を搭載した最新の望遠鏡があっても、太陽系の外に生命体を発見するのは簡単ではありません。それは、 居住可能性は複雑な概念であり 、太陽に似た恒星の周りを回る地球に似た惑星を特定するだけでは不十分だからです。
「地球サイズの惑星として適切な明るさのように見える惑星は、いわゆるハビタブルゾーン内でほぼ円形の軌道を持ち、水蒸気やおそらく酸素の存在を示す証拠があり、内部に巨大な惑星は存在しないそれが事態をかき回しているが、この星はそれほど活発ではない。それが、潜在的に居住可能な惑星の候補として私たちが見つけたいと考えている種類の星系だ」とオハイオ州立大学のスコット・ガウディ氏は語った。
しかし、この望遠鏡を建設し、居住可能な惑星を見つけ、すぐに生命を検出するというシナリオを想像するのは魅力的ですが、それはうまくいかないとガウディは言いました。
居住可能な系外惑星を適切に探すには、「全体の状況を実際に把握する必要があります。これは、系内の他の惑星、破片の円盤、恒星を研究することを意味します」とガウディ氏は語った。 「それは、これらの惑星が本当に居住可能かどうかを理解するのに本当に役立ちます。」
「ハビタブル・ワールド天文台を建設し、生命を発見し、それで終わりだ」と想像したくなる誘惑があるが、ガウディはこう語った。運が良ければ、かなり有望そうなシステムを 1 つまたは 2 つ、おそらく 3 つ見つけることができるでしょう。そして、さらに大きくて優れたものを構築する必要があります。」
多世代にわたる取り組み
たとえ私たちが、潜在的に居住可能な地球のような世界を備えた理想的なシステムを見つけることができたとしても、次のステップは、地球のどのくらいの部分が海で覆われているか、どのくらいの範囲が海で覆われているかなど、さらに高度な要素を調べることになるでしょう。陸塊です。生命の探索はすぐに解決できる問題ではありませんが、科学者たちは現在、ハビタブルワールド天文台が20年後に次の仕事を担うための基礎を築いています。
これは、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の計画が 2000 年頃に始まり、今日の科学者がこのツールを発見に使用できるようになったのと似ています。
「数十年前、私はまだ若い学生でした。しかし、私は当時人々が行ったすべてのハードワークの報いを享受しました」とシングは語った。 「そして、その世代の科学者がそう感じたのは、人々がハッブル宇宙望遠鏡を使って彼らの代わりにやってくれたからです。つまり、上級科学者たちが 20 年前に行ったことの恩恵を享受しているという遺産があります。そして、その伝統が今から 20 年後も確実に続くようにしたいと考えています。」
なぜなら、地球外に生命が存在する可能性があるかどうかという疑問は、今日の科学が直面している最も深刻な問題の 1 つであり、すぐには解決されないからです。ハビタブルワールド天文台はその旅の次のステップですが、それが終点ではありません。
「これは私たちが取り組んでいる数世代にわたる、おそらく数世紀にわたる取り組みです」とガウディは語った。 「私たちはそのプロセスについて楽観的であるべきですが、同時に謙虚であるべきだと思います。」