それほど昔のことではないが、私たちの銀河系で知られている惑星といえば、太陽を周回する惑星だけだった。しかし、ここ数十年で天文学者たちは数千もの太陽系外惑星を発見し、その数は私たちの銀河系の恒星の数を上回っているという結論に至った。これらの異星の多くは、惑星全体に広がる溶岩の海や鉄の雨を降らせる雲など、驚くべき特性を持っている。中には、地球と驚くほど似た環境を持つ惑星もあるかもしれない。私たちがこれらの遠く離れた惑星を実際に見ることは決してできないだろうが、大胆な星間宇宙探査ミッションによって、遠くからその姿を観察できるようになるかもしれない。
先週、NASAの革新的先進概念（NIAC）プログラムは、今後1年間、まるでSFから飛び出してきたかのような宇宙ミッションのコンセプト開発に取り組む新たな科学者グループを発表しました。今年のNIAC助成金には、月のクレーターを巨大な電波アンテナに変える、反物質減速システムを開発する、小惑星内部の地図を作成するといった提案が含まれています。しかし、最も目を引くコンセプトは、NASAジェット推進研究所の物理学者スラヴァ・トゥリシェフ氏が提唱したものです。トゥリシェフ氏は、太陽を巨大なカメラレンズとして利用し、太陽系外惑星の撮影を目指しています。
これは、アルバート・アインシュタインが提唱した1世紀も前の理論に基づくアイデアです。彼は、恒星の重力によって別の恒星からの光がその恒星の周りを曲がり、巨大なレンズ効果を生み出すと計算しました。曲がった光が収束する焦点領域に立つと、「太陽重力レンズ」によって恒星の背後にあるものはすべて大幅に拡大されます。アインシュタインの重力レンズ理論は、今では確固たる事実となっています。観測宇宙論者は、銀河や銀河団からの重力レンズ効果を日常的に利用して、より遠方の天体を研究しています。
トゥリシェフ氏の計画は、この効果を利用し、望遠鏡を太陽の焦点領域まで600億マイル（約960億キロメートル）の旅に送り、最大100光年離れた、居住可能な地球型太陽系外惑星の写真を撮るというものだ。彼の計算によると、ハッブル宇宙望遠鏡の3分の1の大きさの望遠鏡を太陽の焦点領域に送り込むだけで、数年間の撮影で太陽系外惑星のメガピクセル品質の画像が得られるという。対象となる太陽系外惑星が地球と同程度の大きさであれば、1ピクセルあたり35平方キロメートルをカバーすることになる。トゥリシェフ氏によると、これはアポロ8号の宇宙飛行士が撮影した有名な「地球の出」の写真よりも優れた解像度であり、太陽系外惑星の表面の特徴や生命の兆候を判別するのに十分な解像度だという。
「このプロジェクトに参加するすべての人々の最大のモチベーションは、このアイデアをSFから現実へと移し、この惑星に生きる現代の人々が異星の世界の映像を楽しむことができるようにすることです」とトゥリシェフ氏は語る。「『私たちは孤独なのか？』というのは誰もが抱く疑問であり、生きているうちに答えを見つけられるかもしれません。」
地球外の隣人を写真に撮るというのは魅力的なアイデアですが、このミッションに伴う技術的課題は計り知れません。まず、その距離を考えてみましょう。太陽から600億マイルは、冥王星の約16倍の距離です。光速で移動した場合、この距離を移動するには3日以上かかります。人類が作った物体の中で最も遠くの星間空間に到達したボイジャー1号は、わずか約130億マイルしか移動しておらず、そこに到達するまでに40年もかかりました。
宇宙船を正しい場所に導くこと自体が大きな課題です。カメラのレンズとは異なり、太陽には単一の焦点はなく、約800億マイル離れたところから始まり、宇宙空間へと無限に伸びる焦点線があります。太陽系外惑星の像は、この焦点線を中心とし、600億マイル離れた広大な星間空間に位置する、直径1マイル未満の管状の物体として想像できます。望遠鏡の中心から太陽の中心を通り、太陽系外惑星の領域まで仮想的な線を引けるように、望遠鏡はこの管状の物体に完全に位置合わせされなければなりません。
太陽系外惑星を撮影するために、望遠鏡は鏡筒内を移動し、新たな位置ごとに写真を撮影します。これは太陽系外惑星の表面の新たな一面となります。各位置は最終画像の1ピクセルに相当するため、望遠鏡は極めて正確に太陽系外惑星を撮影し、数分から数時間に及ぶ露出時間にわたってその精度を維持する必要があります。
太陽重力レンズ（SGL）望遠鏡から撮影された可能性のある画像の想像図。イラスト：スラヴァ・トゥリシェフ/NASA
困難はそれだけではありません。太陽の重力が物体を拡大するとき、カメラのレンズのように一貫した画像は生成されません。その代わりに、画像はアインシュタインリングと呼ばれるハローで太陽の縁にぼやけます。このハローは太陽のコロナ、つまり燃えるような外層大気の中に現れ、画像を歪ませるとともに明るさで圧倒します。各アインシュタインリングは最終画像の1ピクセルに対応し、太陽系外惑星の表面の小さな領域と惑星の残りの部分からの反射光が混在しています。太陽系外惑星の全体像を捉えるには、望遠鏡は太陽コロナの圧倒的な背景ノイズの中からアインシュタインリングからの微弱な信号を選び出し、この信号を抽出した後、ぼかし除去アルゴリズムを使用して関連データを復元する必要があります。メガピクセル画像を作成するには、このプロセスを100万回繰り返す必要があります。
トゥリシェフ氏とその同僚たちは、これらの極限の課題に対処するために、独自のミッション構造を設計する必要がありました。ロケットモーターのような従来の推進技術では、人間の一生の間に600億マイルを旅することは不可能です。トゥリシェフ氏は代わりに、電子レンジほどの大きさのソーラーセイルを搭載した小型宇宙船の艦隊を使用したいと考えています。宇宙船は、太陽から約600万マイル（約960万キロメートル）以内を通過することで旅を開始します。太陽の重力アシストに加え、太陽光がソーラーセイルに押し付ける力（帆船に作用する風のように）によって、宇宙船は時速30万マイル（約48万キロメートル）まで加速します。これは、史上最速の宇宙船であるパーカー・ソーラー・プローブが最近太陽を通過した際に記録した速度に匹敵します。
この速度では、宇宙船が星間空間にある太陽の焦点領域の始まりに到達するまでに約25年かかります。各宇宙船は望遠鏡の部品を運び、その途中で望遠鏡を組み立てます。望遠鏡が目的地に到着すると、その作業はAIシステムに頼らざるを得なくなります。地球からの指令を4日近くも待つのは到底無理です。また、データ解析に必要な信号解析を行うために、強力なオンボードプロセッサも必要になります。
ミッションに求めるのは大きな課題だが、トゥリシェフ氏は必要な技術は既に成熟しており、実現可能だと考えている。再使用型ロケットは宇宙へのアクセスコストを大幅に削減した。小型衛星は高度な深宇宙ミッションに定期的に利用されている。ボイジャー宇宙船は星間空間で健在であり、ソーラーセイルは複数のミッションで展開されている。そして、宇宙に望遠鏡を組み立てる段階に差し掛かっている。「現在の技術で観測は可能だと考えています」とトゥリシェフ氏は言う。
NIACの助成金は、構想段階（フェーズI）から、ほぼ本格的なミッションとして準備が整ったもの（フェーズIII）まで、段階的に交付されます。トゥリシェフ氏の太陽系外惑星の高解像度写真を撮る計画は、NIACの歴史上、フェーズIIIの助成金を受けた3番目のプロジェクトです。
しかし、ミッションの見通しについてトゥリシェフ氏の楽観的な見方に誰もが賛同しているわけではない。ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の物理学者、ポンタス・ブラント氏は、NASAの恒星間ミッション構想にも取り組んでいる。ブラント氏はトゥリシェフ氏の提案は「理論的には非常に魅力的」だと認めつつも、「実現を阻む落とし穴が数多くある」と指摘する。特にブラント氏は、この望遠鏡の精度について懸念を表明している。ブラント氏によると、この望遠鏡は、未知の深宇宙である恒星間空間において、ハッブル宇宙望遠鏡の300倍もの指向精度を実証する必要があるという。
ブラント氏はまた、太陽系を離脱する際に宇宙船が経験する極度の加速度と温度に耐えられるソーラーセイルの素材が存在するかどうかについても懐疑的だと述べている。「傘のように後ろに折りたたまれるでしょう」とブラント氏は言う。「そのような力を維持できる機械構造の解決策は見たことがありません。」
適切なターゲットを見つける問題もある。トゥリシェフ氏によると、地球のような特性を持つ惑星であるべきだという。ミッションの実現に必要な時間と物質的資源を考えると、冷たく死んでいる世界の写真を撮りたいわけではない。しかし、これまでに発見された何千もの太陽系外惑星のうち、生命が存在する可能性のある特性を持つのはほんのわずかだ。つまり、これらの惑星は岩石で、地球とほぼ同じ大きさで、表面に液体の水が存在できる距離で主星を周回している。ミッションの技術的制約により、メガピクセル品質の写真が欲しければ、惑星は太陽系から約100光年以内に位置しなければならない。最良のシナリオでは、太陽系外惑星の最初の写真で植生などの生命の兆候が明らかになるだろう。知的生命体が存在するなら、大規模なインフラを発見できるかもしれない。
しかし現時点では、天文学者たちは、これまでに発見された居住可能な可能性のある太陽系外惑星のいずれもが実際に居住可能であると決定的に結論づけていない。居住可能な惑星を構成するものの定義さえも、いまだ活発な議論の領域であると、コーネル大学で太陽系外惑星の大気を研究している天文学者ニコル・ルイスは述べている。彼女は、最近打ち上げられたトランジット系外惑星サーベイ衛星や、もうすぐ打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡など、新世代の太陽系外惑星探査望遠鏡によって、たとえ太陽よりも小さい恒星の周りであっても、天文学者たちはより多くの居住可能な可能性のある惑星を発見できるようになるだろうと述べている。「太陽のような恒星のハビタブルゾーンにある地球サイズの惑星を『居住可能』と認定するために必要な特性評価は、おそらく新技術を採用する将来の施設を待たなければならないでしょう」とルイスは述べている。
NIAC第3フェーズ助成金の一環として、トゥリシェフ氏と彼の同僚たちは、提案されたミッションにおける多くの技術的課題の解決に取り組む予定です。トゥリシェフ氏によると、目標の一つは技術実証ミッションを開発し、今後数年以内に打ち上げることです。これは、宇宙船にソーラーセイルを装備し、超高速で飛行させ、太陽系内のいくつかの天体を撮影することを意味します。彼は、このミッションの有望なターゲットの例として、太陽系内を通過する恒星間天体を追跡することを提案しました。
「フェーズIIIの終了までに、NASAと産業界のパートナーから技術実証ミッションの実施を約束してもらいたいと思っています」とトゥリシェフ氏は語る。「可能な限り現実に近づけたいと考えています。」
太陽系外惑星の撮影ミッションが実現する保証はないが、トゥリシェフ氏によると、NASAが計画を決定すれば、早ければ2030年代初頭にも打ち上げられる可能性があるという。25年の航行期間と数年のデータ取得期間を考慮すると、早ければ2060年代初頭には太陽系外惑星の高解像度写真が撮影できる可能性がある。これは史上最も野心的なミッションの一つとなり、成功の可能性は低い。しかし同時に、宇宙とその中の私たちの位置づけに対する理解に革命をもたらす可能性もある。「スラヴァのような夢想家のおかげで、こうしたことは現実のものとなったのです」とブラント氏は語る。「時にはあまりにも突飛な話に思えることもありますが、彼は諦めない夢想家なのです。」
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