NASA、月の裏側に巨大望遠鏡を設置する可能性

宇宙は常にその歴史を私たちに伝えています。例えば、宇宙全体に遍在する長距離電波に含まれる、はるか昔に起こった出来事に関する情報は、最初の星やブラックホールがどのように形成されたかという詳細な情報を含んでいる可能性があります。しかし、問題があります。地球の大気と現代社会が生み出すノイズの多い電波のせいで、地球からはそれらを読み取ることができないのです。

NASAが月の裏側に自動化された研究用望遠鏡を建設するために必要な計画の初期段階にあるのはそのためだ。最も野心的な提案の1つは、宇宙で（はるかに）最大となる開口いっぱいの電波望遠鏡アンテナである月クレーター電波望遠鏡を建設することだ。FarSideとFarViewと呼ばれるもう2つのプロジェクトは、最終的に10万個を超える膨大な数のアンテナを接続して信号を拾うもので、その多くは月自体に建設され、月の表面材料で作られる。これらのプロジェクトはすべて、画期的な航空宇宙コンセプトの創出を期待して革新者や起業家に資金を提供するNASAの先端概念研究所（NIAC）プログラムの一部である。これらはまだ仮説の段階であり、現実には何年もかかるが、これらのプロジェクトから得られる知見は、宇宙の宇宙論モデルを塗り替える可能性がある。

「月面に設置した望遠鏡を使えば、記録した電波スペクトルをリバースエンジニアリングし、初めて最初期の星々の特性を推測することができます」と、コロラド大学ボルダー校の宇宙学者で、FarSideとFarViewの共同研究者兼科学リーダーであるジャック・バーンズ氏は述べた。「私たちが最初期の星々に関心を持つのは、私たち自身の起源に関心があるからです。つまり、私たちはどこから来たのか？太陽はどこから来たのか？地球はどこから来たのか？天の川銀河はどこから来たのか？」

これらの疑問への答えは、約 137 億年前の宇宙の暗い瞬間に由来しています。

ビッグバンから約 40 万年後、宇宙が冷えていくと、最初の原子である中性水素が光子を放出し、電磁放射のバーストを発生させました。この放射は、科学者が今日でも観測できます。この宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) は、1964 年に初めて検出されました。現在、科学者は欧州宇宙機関のプランク探査機などの複雑なツールを使用してその微細な変動を検出し、若い宇宙の物質とエネルギーの分布のスナップショットを作成します。また、ハッブル望遠鏡 (および近々アップグレードされるジェイムズ・ウェッブ望遠鏡) などの望遠鏡が星の光から収集した視覚データのおかげで、科学者は約 1 億年を早送りし、「宇宙の夜明け」と呼ばれる最初の星の形成から約 130 億年までのほとんどの期間を調べることができます。これらの望遠鏡により、私たちは文字通り過去を覗いているような遠くまで見ることができます。

ビッグバンから生まれた最初の火の玉がCMBへと消え去った後、最初の星々が燃え始めるまで、宇宙からはほとんど光が放出されなかった時代がありました。科学者たちは、可視光も赤外線も放射されなかったこの時代を「宇宙の暗黒時代」と呼んでいます。この時代、宇宙は非常に単純で、主に中性水素、光子、そして暗黒物質で構成されていたと考えられます。この時代に何が起こったのかを示す証拠は、暗黒物質と暗黒エネルギー（私たちの推測では宇宙の質量の約95%を占めているものの、私たちにはほとんど見えず、未だに完全には理解されていません）が宇宙の形成にどのような影響を与えたのかを理解するのに役立つかもしれません。

宇宙の暗黒時代に何が起こったのかを知る手がかりが、今も宇宙に存在する物質の大部分を占める水素の中に隠されている。水素原子の電子スピンが反転するたびに、特定の波長、21センチメートルの電波が放出される。しかし、宇宙の暗黒時代に放出されたこれらの波長は、地球に到達する頃には実際には21センチメートルの長さにはなっていない。宇宙は急速に膨張しているため、水素の波長も拡大、つまり「赤方偏移」し、広大な距離を移動する際に伸びる。つまり、各波長はタイムスタンプのような役割を果たしている。つまり、波長が長いほど、古いということだ。地球に到達する頃には、波長は10メートル、あるいは100メートルにまで達し、周波数はFM帯よりも低い。

周波数は低いものの、これらの電波は電波望遠鏡で捉えることができます。ただし、地球の大気が邪魔をしていなければの話ですが。太陽の電気エネルギーによって電離した電離層は、この情報が地球に届く前に吸収または反射します。地球上の無線通信もこの電波を妨害します。想像してみてください。宇宙の暗黒時代から、電波は発生時に何が起こっていたのかを正確に伝えるために旅をしてきたのに、突然電離層に吸い込まれてしまうのです。さようなら、宇宙の真実。

「地球の大気圏を通過できない長波長の宇宙放射線については、私たちは全くの無知です」と、宇宙マイクロ波背景放射の研究でノーベル賞を受賞した宇宙学者、天体物理学者のジョン・マザー氏は語る。「そこには大きな驚きが隠されているかもしれません。」

そこで月が登場します。月の裏側は地球の電波を遮ります。電離層がないからです。信じられないほど長い波長の電波にとっては、月は完璧な中継地点となるのです。

バーンズ氏のFarSideとFarViewの提案では、これらの電波を捉えるために、固体開口の電波望遠鏡（今は亡きアレシボ望遠鏡を想像してみてほしい）ではなく、祖父の古いテレビのウサギの耳のような、単純なダイポールアンテナの広大な配列を採用する。FarSideには、590キログラムの基地局と、テザーで接続された128対のアンテナが必要となる。テザーは、月の10キロの幅にわたって4つの渦巻き状の腕状に展開される。この構築は1台の月面探査車が担当する。基地局は、アンテナが受信した信号データの中央処理センターとして機能し、月を周回する別の中継衛星に送信する。

ヒューストンに拠点を置くルナ・リソーシズ社の協力を得て設計された、より野心的なプログラム「ファービュー」は、月面400平方キロメートルに10万本のダイポールアンテナを設置する計画です。しかし、この計画はファーサイドの単なる大型版ではありません。ファービューは月面で自ら構築されます。まず、自動探査車チームがレゴリスを集め、アルミニウムを抽出できる「工場」に運びます。さらに10台ほどの探査車が、その金属から薄いアンテナを製造し、電気分解技術を用いて月面に電気メッキします。システムを動かすためのソーラーパネルも、現地で製造可能です。

バーンズ氏の構想は、このようなアレイを用いて、暗黒時代における宇宙の特定領域の地図を作成することです。中性水素の波長が長いほど、科学者たちはより遠い過去を観測していることになります。波長は、波を放出した中性水素がビッグバン直後に放出された宇宙マイクロ波背景放射よりも温度が高かったか低かったかを示す可能性も秘めています。この情報は、暗黒時代の出来事において暗黒物質が果たした役割を明らかにし、暗黒物質が一体何なのかという手がかりとなるかもしれません。「物理学の同僚たちによくこう言います。『私たちがあなたたちのために、想像を絶するほど巨大な、まったく新しい高エネルギー粒子加速器を作ったと想像してみてください。宇宙が私たちのためにそれをやってくれました』と。これらの粒子は、暗黒時代と宇宙の夜明けから存在しているのです」とバーンズ氏は言います。「私たちは、電波望遠鏡を粒子検出器のように用いて、宇宙のこの未観測の時代にどのような物理現象が働いていたのかを解明しようとしています。」

「これは宇宙の熱史を語る上で非常に重要な部分です」とマザー氏も同意する。「宇宙の膨張がこの物質を冷やしたのか、それとも星のような天体が活動を開始して再び物質を温めたのか？」

バーンズ氏の2つのプロジェクトは、35年以上にわたる研究の集大成であり、その中には1990年にサイエンティフィック・アメリカン誌に寄稿した、当時10～15メートルの月面電波望遠鏡建設の課題を列挙した論文も含まれています。「今頃は、月面にこのような望遠鏡が設置されているだろうと本当に思っていました」と彼は言います。

しかし、NASAが月への再挑戦を推し進めていることは、バーンズ氏の夢が実現するかもしれないことを意味する。これまでに、FarSideとFarViewはともに、初期のエンジニアリング設計研究のためにNASAから12万5000ドルの資金提供を受けている。2022年には、NASAは商用月面着陸船で低周波電波分光計1台を打ち上げる予定だ。この装置は「月面光電子鞘における電波観測（Rolses）」と呼ばれ、将来の月面電波望遠鏡の概念実証として重要となる。別の電波信号探査機「Dark Ages Polarimeter Pathfinder（Dapper）」は、2024年にLuSEE電波装置とともに月の裏側に着陸するペイロードとして提案されている。この探査機は、月の裏側で赤方偏移した21センチメートルの電波波長を捉え、月周回中継衛星を介してデータを地球にダウンロードする。

しかし、さらに驚くべきアイデアがあります。NASAジェット推進研究所の月クレーター電波望遠鏡です。この望遠鏡は、NIAC（国立天文台）の第2ラウンド資金で50万ドルを獲得したばかりです。これは、史上最も大胆な電波望遠鏡となるでしょう。直径1キロメートル、深さ600メートルのアルミニウムメッシュアンテナは、幅3キロメートルのクレーター内に設置されます。パラボラアンテナは、宇宙を伝わる長波長の電波を捉え、クレーター上に吊り下げられた受信機へと導きます。

この構想の立案者であるロボット工学者、サプタルシ・バンディオパディアイ氏は、バーンズ氏が1990年に発表した、月のクレーターに設置する電波望遠鏡がなぜ機能しないのか（少なくとも当時は機能しなかった）を論じた論文に着想を得た。その論文には、最適なクレーターを見つけることや、従来の電波望遠鏡アンテナに必要な塔の建設の難しさなどが含まれていた。しかし、現在では月探査機ルナ・リコネッサンス・オービター・ミッションのおかげで適切な場所を見つけることができつつあり、新しい設計と材料によって塔はもはや不要になった。「私たちのイノベーションは、『ほら、これらの問題に対処できる技術が揃っているから、今ならすべて解決できる』と訴えかけるものでした」とバンディオパディアイ氏は語る。「これらのアイデアをすべて新しい方法で再設計すれば、実現できるのです。」

LCRTは、FarSideの128アンテナ方式よりも費用がかかり、実行もはるかに複雑になります。しかし、極めて正確なデータを提供し、例えば125億年前の銀河の形成過程をより明確に理解できるようになります。マザー氏によると、最長波長を捉えることで、「まだ星も銀河もなく、ただいくつかの塊があるだけの、非常に単純な宇宙」の姿を描き出し、暗黒物質の密度を示すことができるかもしれないとのことです。「もしそれが発見できたら、とても素晴らしいでしょう」と彼は続けます。

バンディオパディエイのチームは、この50万ドルを使い、探査機が巨大なアンテナを建造する様々な方法を検証する複雑なシミュレーションを実行する予定だ。彼らは、どのような方法がうまくいくかについて、かなり明確な考えを持っている。タワーの代わりに、望遠鏡の受信機をクレーター全体に張られたワイヤーに吊るすという簡略化された設計を採用する。まるでクレーターの底に立つクモの巣の上に、ワイヤーが急勾配に張り巡らされているようなイメージだ。この巣はアルミニウム製のメッシュで格子状に構成され、クレーターの底に位置する着陸機から縁まで放射状に伸びるワイヤーで構成される。円周状のワイヤーがそれらを電気的に接続する。

これを構築するには、着陸船の半分が、ウェブ状の皿を構成する軽量で耐久性のあるメッシュを搭載し、クレーターに着陸します。もう半分は、JPLが設計したDuAxelローバーを搭載し、分離してクレーターの縁に着陸します。ローバーは4輪の主力車両で、2つの車軸が分離・再接続可能です。各ローバーの半分は縁に固定され、クレーター底のメイン着陸機まで移動します。クローラーは着陸機のアルミメッシュに接続され、クレーターを登りながら、背後のウェブを広げます。ウェブは巨大な漁網のように簡単に展開します。縁を登り終えた後、各ローバーは皿のラジアルリフトワイヤーを所定の位置に固定します。

もしそれがうまくいかなかった場合、バンディオパディアイ氏は第二の計画を用意している。「もう一つのアイデアは、ロボットを使わずに、クレーターの底にある着陸船からクレーターの壁に銛を打ち込むことです」と彼は言う。ローバーはアルミニウム製のメッシュ皿を張るのを手伝う。

言うまでもなく、これら3つのプロジェクト構想はいずれも大きな課題に直面している。NIACの資金はほんの一握りで、それぞれ開発、建設、運用開始までに10億ドル以上の費用がかかる。（「お金を持っている人に言いたいのは、50億ドルくれれば明日でも打ち上げられるということです」とバンディオパディアイ氏は言う。） 

労働力の問題もあります。3つのプロジェクトはすべてローバーの使用を提案していますが、月面の夜は地球の14日間続く摂氏マイナス173度の気温に耐えるために冬眠状態に入る必要があります。また、ローバーを自動化するのか、月面、軌道上、あるいは地球上で宇宙飛行士が操作するのか、どちらが最適なのかは不明です。何よりも、着陸を成功させるだけでなく、ローバーを基盤とした大規模な建設プロジェクトを完璧に遂行するための具体的な手順は…まだ決まっていないと言ってもいいでしょう。

最適なスケジュールであれば、FarSideは2020年代末までに、FarViewは2030年代、LCRTは2040年までに運用を開始できる可能性がある。「個人的には、私が引退する前に打ち上げられるとしたら、非常に驚​​くでしょう」とバンディオパディアイ氏は言う。

その間、他のプロジェクトが宇宙の暗黒時代の秘密を解明する助けとなるかもしれません。宇宙の夜明けを観測するために今秋打ち上げが予定されている新しいジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、科学者が暗黒時代まで遡って推測するのに役立つデータを提供する可能性があります。また、研究者たちは地球から観測できる、より限定された中性水素の周波数をより深く研究しようと取り組んでいます。

しかし、月に到達するか、あるいは時間切れになるまで、バンディオパディエイ氏、バーンズ氏、そして他の研究者たちは月を目指し続けるだろう。「私は楽観主義とSFの子供です」と彼は言う。「自分のためではなく、孫やひ孫のために、宇宙旅行や物質・反物質エンジンなどを実現したいと思っています。『宇宙は何でできているのか？』といった根本的な疑問への答えを今すぐ探さなければ、私たちは何も成し遂げられないでしょう。」

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