新しい宇宙望遠鏡は巨大なビーチボールのように見えるかもしれない

もし宇宙に巨大なインフレータブル望遠鏡が設置されるとしたら、それはクリス・ウォーカーの母親のおかげでしょう。何年も前、ウォーカーがチョコレートプディングを作っていた時、母親からの電話を受けるために料理を中断しなければなりませんでした。彼はコンロからプディングを取り出し、ラップで覆い、鍋をソファの脇の床に置きました。電話が終わると、近くのランプの電球がソファの端の上に浮かんでいるのを見て、彼は驚きました。この幻影の原因を調べたところ、プディングが冷えるにつれて冷たい空気の塊ができ、そのせいでラップの中央がプディングの方にたわんでいたことが分かりました。これが事実上、電球を反射するレンズを形成していたのです。

「『これはすごいけど、今さら使うことはないな』と思ったんです」と、アリゾナ大学の天文学教授であるウォーカー氏は語る。しかし30年後、彼はこのアイデアを基に、NASAの革新的な先進概念プログラム（Innovative Advanced Concepts）に提案書を提出した。このプログラムは、航空宇宙分野の斬新なアイデアに資金を提供するものだ。

その提案の主題は、巨大な膨らませたビーチボールを宇宙望遠鏡に変えるというものでした。この準軌道気球反射鏡は、地上の観測機器ほど大気の干渉を受けません。さらに、容易に規模を拡大できるため、大型望遠鏡の建設に伴う莫大な費用をかけずに、宇宙の広大な領域を観測することが可能になります。

大型気球反射鏡のアイデアは、ウォーカー氏が2012年に南極の高層大気圏を数週間周回した高高度気球に取り付けられた口径1メートルの望遠鏡「成層圏テラヘルツ観測所」の研究から生まれました。3500万立方フィートのヘリウムガスを充填した気球が膨らむ様子を見ていたウォーカー氏は、この小さな望遠鏡には気球のスペースがあまりにも無駄になっていることに気づきました。気球自体を観測所として使えたら素晴らしいと思いませんか？この観察と数十年前のプディング事件からの洞察が相まって、世界初の膨張式望遠鏡の開発につながりました。

2014年、ウォーカー氏と学生たちは、中国の玩具メーカーが販売していた大きな膨らませたプラスチックの球体を使って、大型バルーン反射鏡の最初の試作品を作った。このボールは、人間サイズの「スナネズミボール」のように人が中をよじ登れるように設計されていたが、電波天文学にも非常に適していた。ウォーカー氏はボールの中にアンテナを吊り下げ、内側に金属塗料を円形に吹き付けて反射鏡を作った。この初歩的な装置を使って、ウォーカー氏と学生たちはアリゾナ大学の天文学棟の屋上から太陽の電波観測を行うことができた。上層大気には送らなかったが、ウォーカー氏によると、非常に粗雑なバージョンの望遠鏡でも良い結果を得られることを実証しているという。「うまくいくことはわかっていましたが、人々に見せなければなりません」と彼は言う。「屋上でのデモンストレーションに勝るものはありません。」

しかしウォーカーは、球形の膨張式望遠鏡の真のメリットは宇宙で発揮されるだろうと気づきました。従来の電波望遠鏡は、パラボラアンテナを反射鏡として用い、電波を集めて特定の一点に焦点を合わせます。これは十分に機能しますが、天文学者は特定の一点に向けるためにパラボラアンテナ全体を動かさなければならず、宇宙空間にある望遠鏡では負担となります。ウォーカーの設計では、望遠鏡全体を移動させるのではなく、球体内部のアンテナを動かすことで望遠鏡の方向を調整できます。また、球面望遠鏡は視野が広いため、移動することなく宇宙の広い範囲を撮影できます。

ウォーカー氏の膨張式望遠鏡は、NASAが宇宙でビーチボールを使った実験に取り組んだ初めてのケースではない。1960年代初頭、NASAはエコー1号とエコー2号を打ち上げた。これらは巨大な膨張式反射鏡で、電波を世界中に反射させることができた。しかし、このコンセプトを深宇宙観測に適用した者はいなかった。（ただし、1996年にはNASAが宇宙で膨張式パラボラ反射鏡を使った実験を行っている。）この大型バルーン反射鏡が意図したとおりに機能することを証明した後、ウォーカー氏は宇宙版の膨張式望遠鏡を設計するためのNIACフェーズ2助成金を獲得した。

その結果生まれたのが、直径40メートルの膨張式球体で、内部には可動式アンテナが内蔵されているテラヘルツ宇宙望遠鏡だ。宇宙のガス圧は非常に低いため、ウォーカー氏によると、この巨大な望遠鏡を膨らませるには、地球上でパーティー用の風船を膨らませるよりも少ないガス（凍結温度が低いため、窒素かネオンなど）で済むという。軌道上の膨張式物体にとって、宇宙ゴミや微小隕石が懸念材料となるのは当然だが、ウォーカー氏によると、仮にこれらの物体が風船に衝突したとしても、望遠鏡内のガスの拡散速度が遅いため、望遠鏡が収縮するまでには数年かかるという。

ウォーカー氏によると、テラヘルツ宇宙望遠鏡の有効口径は約25メートルになるという。比較のために言うと、2021年に打ち上げが予定されている、これまで宇宙に送られた望遠鏡の中で最も感度の高いジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の口径は約6.5メートルだ。価格差はさらに劇的だ。ウォーカー氏は、インフレータブル望遠鏡を軌道に乗せるには約2億ドルかかると見積もっているのに対し、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は打ち上げまでに約100億ドルかかると予想されている。

しかし、ウォーカー氏の望遠鏡はまだ完成していません。もしこのハードルを乗り越えることができれば、テラヘルツ宇宙望遠鏡は深宇宙における水の存在を検出できる波長を用いて宇宙を観測できる可能性があります。太陽系内の水に富む小惑星の発見や、他の太陽系のハビタブルゾーンにおける水の検出に役立つ可能性があります。ウォーカー氏は特に、原始惑星系の恒星近傍でガス状の水を検出できる可能性に期待を寄せており、地球がどのようにして水に覆われるようになったのかについて多くのことを教えてくれる可能性があると述べています。

しかし今のところ、テラヘルツ宇宙望遠鏡は2回の小規模な実験テストしか実施されていない。どちらのテストも、ウォーカー氏がインフレータブル望遠鏡の研究から派生して共同設立した企業、フリーフォール・エアロスペースの支援を受けて実施された。フリーフォールは、ビーチボール望遠鏡に似た設計のインフレータブル衛星を用いて、地球に5Gを送信することを目指している。昨年、このインフレータブル衛星の試作機がNASAの高高度気球に搭載され成層圏に到達し、アンテナ操縦技術を完璧に実証した。その後まもなく、ウォーカー氏はインフレータブル衛星群を構築する設計に着手し、地上で2機の試作機が相互に「通信」できるようにした。

ウォーカー氏は次に、キューブサットに取り付けたインフレータブル5G衛星を軌道上に展開する予定です。また、NASAの2つの提案にも取り組んでおり、大型バルーン反射鏡を成層圏に送り込み、テラヘルツ宇宙望遠鏡を軌道上に投入する予定です。最近、ウォーカー氏と同僚たちは、これらのインフレータブルで作られた宇宙ベースのアレイについてNASAに提案しました。このアレイは、地球に最も近い恒星であるアルファ・ケンタウリの周りの太陽系外惑星の表面を撮影することを可能にします。しかし、宇宙科学のあらゆる分野と同様に、このミッションの資金確保は技術開発と同じくらい困難です。運が良ければ、そう遠くない将来、巨大なインフレータブル望遠鏡を使って居住可能な太陽系外惑星を探すことができるかもしれません。

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