天体物理学者、これまでで最大の宇宙地図を公開

ダークエネルギー分光装置（Dark Energy Spectroscopic Instrument）に携わる大規模な科学者チームは、わずか7ヶ月で、他のすべての3D探査を合わせたよりも広い範囲の宇宙をマッピングしました。5年間のミッションのわずか10%しか達成されていないため、今後さらに多くの成果が期待されます。

DESI（デジ・アーナズと同じ発音）は、750万個以上の銀河からなる壮大な宇宙網を明らかにし、最大4000万個をスキャンする予定です。この装置は米国エネルギー省の資金提供を受け、アリゾナ州ツーソン近郊のキットピーク国立天文台のニコラス・U・メイオール4メートル望遠鏡に設置されています。地球からの銀河の正確な距離と、様々な波長における銀河からの放射光を測定し、量と質の両方を実現します。最終的には、全天の約3分の1にあたる約14,000平方度をカバーする予定です。データの解析から得られる科学的成果はまだ得られていませんが、特に宇宙の膨張の過程を研究する天体物理学者にとって大きな助けとなるでしょう。

「本当に素晴らしい冒険です。パンデミックにもかかわらず、私たちは活動を続けることができました。数ヶ月間活動を休止せざるを得ませんでしたが、その後は順応することができました」と、共同研究の主導機関であるローレンス・バークレー国立研究所のDESIプロジェクトサイエンティスト、ジュリアン・ガイ氏は語る。現在、観測とデータ処理はほぼ自動化されており、毎朝、科学者たちは一晩で収集された10万個もの銀河のデータを受け取っているという。

「この装置がこれほどうまく機能していること、そしてこれらの銀河までの距離を測定するためにこれほど巧みに設計されていることは驚くべきことです。20年前でさえ、想像を絶するほど効率的にデータを収集できる装置です」と、パサデナにあるジェット推進研究所で初期宇宙の銀河の地図を作成するための宇宙望遠鏡の開発に取り組んでいる研究者、ジェイソン・ローズ氏は語る。

DESIは、実際には望遠鏡の14階建てのドーム内に設置された複数の装置で構成されています。円形の焦点面は頂上近くに位置し、10枚のくさび形の花びらで構成され、それぞれに500台の小型ロボットが搭載されています。これらのロボットが、この装置の銀河地図作成を可能にしています。鉛筆サイズのロボットモーター5,000台が光ファイバーの位置を決定します。光ファイバーは10ミクロン（人間の髪の毛の太さよりも細い）以内の精度で配置する必要があります。これにより、この装置は一度に5,000個の銀河の正確なデータを収集できます。その後、望遠鏡は夜空の別の領域に向けられ、次の5,000個の銀河の観測を開始します。対照的に、DESIの前身の一つであるスローン・デジタル・スカイ・サーベイ（Sloan Digital Sky Survey）では、科学者たちは測定ごとに望遠鏡の焦点にある円形のアルミニウム板に手作業で穴を開け、観測したい銀河ごとに小さな光ファイバーを接続していました。

望遠鏡の底部にはDESIの分光器が設置されており、各銀河からの光を虹のように様々な色のスペクトルに分解します。これにより、銀河の「赤方偏移」を測定することができ、科学者は銀河までの距離を正確に知ることができます。（宇宙の膨張に伴って地球から遠ざかる天体からの光は、波長が長いため、私たちにはより赤く見えます。） 

ガイ氏と彼のチームが既に保有しているデータを使えば、100億光年以上も離れた銀河の複雑な網目構造を観測することができます。つまり、宇宙の年齢が現在の半分にも満たなかった時代に放出された光を捉えているのです。晴れた夜に空を見上げれば、天の川銀河の全容を把握するには、空全体をスキャンする必要があり、数個の星を見つけるだけでは不十分です。同様に、DESIは、広大な空域にわたる膨大な数の銀河を体系的にマッピングすることでのみ、これらの銀河の巨大構造を明らかにしています。

「このプロジェクトには明確な科学的目標があります。それは、宇宙の加速膨張を非常に正確に測定することです」とガイ氏は語る。彼が言及する「ダークエネルギー」とは、謎に満ちながらも普遍的な存在であり、宇宙の約70%を占め、宇宙の膨張を加速させていると考えられている。ガイ氏と彼の同僚たちは、ダークエネルギーの真の姿を解明したいと考えている。また、この調査は、新たな天体物理学の問題を最終的に解決する可能性もある。近傍宇宙（現在の年齢にほぼ相当した時期）の膨張率を測定する科学者と、宇宙が誕生して間もない時期の膨張率を測定する科学者では、結果が異なるのだ。この根強い矛盾を説明できる人はいないが、DESIがダークエネルギーが何らかの形で進化していることを示せば、この問題が解決するかもしれない。

ガイ氏と彼のチームは、2023年に最初のDESIデータ公開を計画しています。この膨大なデータにより、多くの科学者が数百万もの銀河の研究に挑戦し、新たな統計ツールや機械学習ツールを開発することが可能になります。「これほど大量のデータを使って人工知能や深層学習で何ができるのか、とても興味があります。予想外の何かを発見できるかもしれません。それが私の楽しみです」と、ニューヨーク市フラットアイアン研究所の宇宙学者で、スローン・デジタル・スカイ・サーベイの元研究者であるシャーリー・ホー氏は語ります。

数年後には、DESIは唯一の包括的な銀河地図帳ではなくなるだろう。来年から、全米科学財団（NSF）の資金提供を受け、チリ北部の乾燥した山岳地帯に建設中のベラ・ルビン天文台が、数十億の銀河のカタログを作成する予定だが、精度は劣る。天体物理学者たちは、欧州宇宙機関（ESA）のユークリッド宇宙船（2023年打ち上げ予定）と、NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡（2027年打ち上げ予定）の準備も進めている。どちらも銀河の距離とスペクトルを測定する機器を搭載し、DESIの観測範囲を超えて、わずか数十億年前、つまり宇宙論的に言えば「子ども」の頃に形成された深宇宙の領域を地図化する。「ユークリッド宇宙船とローマン宇宙望遠鏡はどちらも、近傍宇宙の観測にDESIを頼りにしている。DESIの成果を興味深い形で発展させていくだろう」とローズは言う。

ホー氏にとって、DESIやその他の巨大な宇宙地図は、人類が宇宙の中でいかに小さい存在であるかを改めて認識させてくれるものだ。「これほど多くの銀河を観測できるという事実は、大きな成果です。しかし、それらの銀河の一つ一つには10億もの恒星があり、その一つ一つに私たちの銀河系のような恒星系があるかもしれません」と彼女は言う。「私たちがいかに取るに足らない存在であるかを実感するのは、謙虚な気持ちになります。」

2022 年 1 月 13 日午後 1 時 (東部標準時) 更新: このストーリーは、DESI が完成したときにカバーする空の正しい領域に更新されました。

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