NASAは次世代の地球を研究するために、陰謀を企てる必要があるかもしれない

何兆マイルも離れた惑星が地球に似ているかどうかは、どうやってわかるのでしょうか？その軌道と、表面や大気に反射する星の光を見れば、海や酸素、オゾンがあるかどうかが分かります。

これは難しい。「ただ望遠鏡を星に向けるだけで惑星を探すことはできません」と、NASAゴダード宇宙飛行センターの上級天体物理学者ジョン・マザーは言う。「まぶしい光で満ち溢れているからです」。地球に似た惑星は、ほぼ確実に主星の周りを周回している。そして、恒星と比較すると、惑星から反射される光のスペクトルは信じられないほど暗く、正確には恒星の100億分の1だ。「とてつもなく明るいものの隣で、途方もなく暗いものを探すようなものです」と、NASAの研究天体物理学者アキ・ロベルジュは言う。たとえ非常に大きな望遠鏡であっても、太陽系外惑星を望遠鏡だけで探すのは、スポットライトを顔に当てながらホタルを探すのと同じくらい無駄なことだ。

しかし、NASAはいくつかの解決策を検討中だ。その一つは「高コントラストコロナグラフ」と呼ばれるもので、望遠鏡内部の光を抑制する複雑な装置で、2027年に打ち上げ予定のナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡に搭載される予定だ。一方、比較的新しい技術であるスターシェードは、別の方法でシェードを発生させる。スターシェードは、望遠鏡のはるか前方に飛行して光を遮る無人探査機である。地上でのスケールダウンされたシミュレーション試験では、スターシェードは驚異的な画像撮影能力を発揮することが確認されているが、宇宙ではまだ試されていない。

NASAは科学者たちに、これらの星光抑制技術の強化を要請しています。将来のミッションでは、これらの技術を地上の大型望遠鏡、あるいは2040年代に打ち上げが予定されている未設計の望遠鏡と組み合わせる可能性があります。この望遠鏡はハッブル宇宙望遠鏡の後継機となり、約25個の地球型太陽系外惑星を発見し、調査する任務を負います。これら2つの星光抑制ツールは、それぞれ重複する技術を提供していますが、一部の科学者は連携して使用できると考えています。「非常に活発な議論が交わされています」と、ローマン望遠鏡の光学システムエンジニアリング責任者であり、ハッブル宇宙望遠鏡の後継機の一つとして提案されている大型紫外線・光学・赤外線サーベイヤー（LUVOIR）のマット・ボルカー氏は述べています。「そして、この議論は今後数年間続くでしょう。」

恒星（とその隣にある小さくて暗い惑星）から放射される光は波のように動いています。強力な望遠鏡で直接見ると、これらの波は巨大でまばゆいばかりの星の光の塊のように見えます。惑星の光1光子に対し、望遠鏡は100億個の恒星の光子を観測します。恒星の隣にある惑星を観測するには、惑星自身の微かな光子を失うことなく、恒星の光を100億分の1に減らす必要があります。これは1 x 10 ^{-10 の抑制またはコントラストと呼ばれます。10} -10の抑制であれば、恒星光抑制望遠鏡は、たとえ100兆マイルも離れた場所にある地球型太陽系外惑星のほとんどでも、その光を読み取ることができます。

望遠鏡の中に設置されたコロナグラフは、特別に設計された一連の「マスク」と一対の可変形ミラーを用いて、遠く離れた太陽からのまぶしい光を遮ります。まず、ミラーが光線を「除去」します。次に、マスク（ボルカー氏によると、「星の像の真上に小さな点を置く」）が太陽光を遮断し、望遠鏡の背面にある装置が像を集めます。理想的には、太陽光は遮られますが、周回する太陽系外惑星からの光は遮られません。

研究室では、高コントラストコロナグラフは10の^-10のコントラストに近づいていますが、まだ改善の余地があります。宇宙では、非常に安定した望遠鏡が必要になります。低コントラストコロナグラフは、宇宙で数十年にわたって運用されてきました。ハッブル宇宙望遠鏡は低コントラストコロナグラフを保有しており、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のコロナグラフは、現在展開中の独自の一体型サンシェードのおかげで、約10の^-5の抑制率を達成する予定です。ローマ望遠鏡に搭載予定のもののような将来のバージョンは、約10の^-8のコントラストで太陽系外惑星を発見することを目指しており、これはハッブル宇宙望遠鏡の後継ミッションで現在求められている明るさと鮮明度よりも2つの要素低い値です。

スターシェードはまだ実証されていない選択肢ですが、大きな潜在的可能性を秘めています。ノースカロライナ州立大学の惑星地質学者、ポール・バーン氏はWIREDの取材に対し、「スターシェードは、JWSTやジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような最新の宇宙望遠鏡よりもはるかに低コストで、太陽系外惑星を調査する全く新しい方法を切り開く可能性があります」とメールで語りました。「太陽系外惑星を直接撮影し、さらには表面に関する情報（明るさ、海の存在を示す証拠など）も得られるようになれば、光の粒やグラフ上の曲線を、それ自体が現実世界となるように変える上で、非常に大きな役割を果たすでしょう。」

1962年、天体物理学者ライマン・スピッツァーは、望遠鏡のはるか前方に「巨大な掩蔽円盤」を置くことで恒星からのまぶしさを軽減し、近くの惑星を観測しやすくする方法を考案しました。今日、科学の進歩により、天体物理学者は直径約25～75メートルの星影を構想できるようになりました。この星影は望遠鏡の前方約8万キロメートルを飛行し、折り紙のように円形の「ひまわり」の形に広がります。中心の円は花びらに囲まれています。（スピッツァーは、このような花びらを「鋭い棘」と表現し、星影の背後の影を「より黒く」することができるとしました。）

望遠鏡はヒマワリの影のすぐ端に設置されており、花びらがそこを通過するわずかな光子を曲げたり回折させたりします。光波を遮ったり回折させたりすることは、流れを遮るような作用をします。NASAジェット推進研究所の先進展開構造物グループの技術者、マナン・アーヤ氏は、「小川の真ん中に壁のような遮蔽物を設置することを想像してみてください」と語ります。「水は無限に広がり、川底に長く乾いた部分を作るわけではありません。水はその障害物を回り込み、波紋を作ります。それらの波紋の一部は、私が小川に設置した壁のずっと下流で、より大きな波に積み重なっていきます。星の影は、川の中に完璧な形の壁を作り、はるか下流に小さな乾いた土地を作り出すのです。」

主機から数万マイルも離れた地点を飛行するスターシェードは、恒星と望遠鏡のちょうど間に設置され、この光線に影（または「ドライスポット」）を作り出します。この影は恒星からの光をほぼ全て遮断しますが、恒星を周回する太陽系外惑星からの微かな反射光を捉えます。このスポット（望遠鏡の直径より約1メートル広い）に直接設置された望遠鏡は、星の光の塊ではなく、かすかな光（恒星を取り囲む太陽系外塵からの光）と、恒星を周回する1つまたは複数の明るい点（10 -10 の^{コントラスト}を持つ太陽系外惑星）に囲まれた黒いドーナツ状の物体（スターシェードの影）を観測します。

スターシェードがこのレベルのコントラストを実現できることを証明するため、プリンストン大学で機械・航空宇宙工学を研究する博士研究員アンソニー・ハーネス氏が率いるチームは、地上での概念実証実験を行い、廊下に設置した長さ80メートルのチューブの中に1インチサイズのスターシェードを作った。チューブは周囲の光を遮断し、宇宙の暗闇を再現した。チューブの一端には巨大なレーザーを、もう一端には望遠鏡の役割を果たす簡単なレンズセットを配置した。その間に、シリコンウェハーから切り出した1インチのスターシェードの模型を配置した。チューブの奥にある望遠鏡のようなカメラでスターシェードを通過したレーザー光を読み取ると、スターシェードの模型が機能し、10 ^{-10 の}抑制効果が得られることが明らかになった。

スターシェードがこれほどのコントラストを実現できるのは、惑星の光がほとんど失われないからです。「コロナグラフでは、恒星の光と惑星の光の両方が望遠鏡に入り、コロナグラフの役割はそれらを分離することです」とハーネス氏はWIREDへのメールで述べています。「恒星の光と惑星の光を分離するこのプロセスにより、惑星の光の一部が失われます。惑星の光が失われるのは悪いことです。なぜなら、惑星は非常に暗く、惑星を検出してスペクトルを生成するのに十分な信号を得るためには、できる限り多くの光子を集める必要があるからです。」

コロナグラフとは異なり、スターシェードは光が望遠鏡に入る前に両者を分離します。太陽光はスターシェードによってほぼ遮断されますが、太陽系外惑星の光は透過します。「この高いスループットこそが、スターシェードが惑星のスペクトル特性をより正確に把握できる理由です。スペクトルを生成するには、光を波長ごとに拡散させる必要があり、単に惑星の存在を検出するよりも多くの光が必要になるからです」とハーネス氏は記しています。

「スターシェードは現時点ではコロナグラフよりもわずかに優れたコントラストを実現しています」と、NASAの太陽系外惑星探査プログラム（ExEP）のS5スターシェード技術開発活動マネージャー、フィル・ウィレムズ氏は述べています。「スターシェードはシンプルなため、10 ^{-10 の}コントラストを実現でき、しかも同時に複数の波長で同じ効果を得ることができます。これはコロナグラフにとっては少々難しい課題です。なぜなら、望遠鏡内で動作させるにははるかに複雑な処理が必要になるからです。つまり、10 ^{-10 の}抑制効果を達成できるということを示すだけでも、スターシェード技術が技術として真剣に検討されるべきだということを示しています。」

NASAは現在、技術成熟度レベル（TRL）5のスターシェード技術に資金を提供しています。これは、飛行可能なサイズの縮小レプリカと実物大の部品を地球上で構築し、その動作を実証することを意味します。次のレベルであるTRL 6では、飛行可能なサイズの縮小レプリカを宇宙に近い環境で試験する必要があります。NASAは、ミッションの構想段階に入る前に、少なくともこのレベルまで技術を整備したいと考えています。

NASAが恒星光抑制技術に関心を寄せている理由の一つは、老朽化し​​たハッブル宇宙望遠鏡の後継機の必要性にある。アメリカの天体物理学研究の方向性を定める「Astro2020 10年調査」の最近発表された結果でも、地球型太陽系外惑星の探査が優先事項とされており、2040年代にこれを主要ミッションとする推定110億ドル規模の宇宙船を打ち上げることが求められている。Astro2020の報告書では、宇宙船がハッブル宇宙望遠鏡と同じ波長で観測を行い、少なくとも6メートルの望遠鏡と高コントラストのコロナグラフ装置を搭載して少なくとも100個の恒星とその惑星を観測し、その後「最も刺激的な」25個の太陽系外惑星に深層撮像技術を用いて生命の痕跡を発見することを目指しているとされている。

報告書では、そうした宇宙船の出発点として、LUVOIRとHabEx（居住可能な太陽系外惑星観測衛星）という2つのミッション提案が取り上げられている。この2つのうち、LUVOIRプロジェクトの提案は、コロナグラフと大型の8メートル望遠鏡のみで設計されている点で、Astro2020調査で要求された設計仕様に最も近い。（この望遠鏡の口径が大きいには、現在の実現可能性をはるかに超える巨大なスターシェードが必要だっただろう。）「LUVOIRでスターシェードを機能させることができれば、おそらく惑星のより質の高いスペクトルが得られるだろうというのは本当だ」と、LUVOIR提案の研究科学者であるロベルジュ氏は言う。「しかし、我々はコロナグラフが絶対に必要だと判断し、それだけで十分なスペクトルが得られました。」LUVOIRチームは、自分たちの設計ではおよそ28個の太陽系外惑星を発見できると見積もっている。

HabExチームは、直径52メートルのコロナグラフとスターシェードを組み合わせた口径4メートルの望遠鏡を提案している。（「ベルトとサスペンダーの両方があると便利です」と、NASA JPLの主任科学者でありHabExの共同議長でもあるベルトラン・メネソン氏は述べている。）スターシェードは10の^-10乗の抑制を可能にするだけでなく、幅広い光スペクトルを撮影し、オゾン、酸素、水蒸気の波長を1枚の画像で確認できる。（LUVOIRのコロナグラフは、これらの特徴の手がかりを得るために光スペクトル全体を捉えるために、多数の画像を撮影する必要がある。）また、主星からより近い距離にある太陽系外惑星の撮影も可能になり、太陽に近い軌道で「隠れている」惑星を発見するのに役立つかもしれない。

しかし、望遠鏡とは別個に飛行しなければならないスターシェードには、コロナグラフにはないいくつかの課題があります。別個の電源が必要となるため、機体の使用は100回程度の観測に限られ、その後は廃棄または燃料補給が必要になります。また、2機の機体は繊細な協調飛行を行う必要があります。

そしてもちろん、折り紙のように展開するという問題もあります。アーヤ氏らは、この課題に取り組んでおり、毛布のようなカプトンポリマーシートと展開式のカーボンファイバーフレームで作られた、大規模な試験用スターシェードをいくつか製作してきました。（この「毛布」はカプトンを何層にも重ねて作られているため、微小隕石の衝突によってシェードに穴が開いても影が損なわれることはありません。）これは容易なことではありません。スターシェードの花びらの縁は、望遠鏡に反射する太陽光をできるだけ少なくするために、極めて鋭くなければなりません。少しでも乱れがあると、太陽系外惑星の撮影に影響が出る可能性があります。「私たちはロボットで折り畳んだり展開したりする必要がある光学精密構造物を作成しており、多くの課題があります」とアーヤ氏は言います。「これらの問題には段階的に取り組んでいますが、この技術を証明するためにまだやるべきことがたくさんあります。」

おそらく、目の前の課題が非常に困難なため、一部の天体物理学者はコロナグラフとスターシェードの組み合わせが完璧なワンツーパンチになると考えている。「ハイブリッドシステムのメリットはよく分かります」とメネソン氏は言う。恒星から恒星へと視線を移すことで、コロナグラフは多数の居住可能な可能性のある太陽系外惑星を撮影でき、その後、スターシェードは各惑星の光を広い帯域幅とスループットで高解像度で観測できる。これは、惑星の居住可能性を詳細に評価するのに最適だ。HabExチームとLUVOIRチームは緊密に協力しており、将来のチームもおそらく両チームのメンバーから選ばれるだろう。

スターシェードは、深宇宙探査以外にも役立つ可能性がある。NASAは、地球から太陽系外惑星を発見するために周回するスターシェードの使用を研究するための資金をマザー氏のチームに提供した。ORCAS（Orbiting Configurable Artificial Star）は、宇宙空間でレーザービーコンを使用して地上の望遠鏡の焦点を合わせることで、大気圏を透過して生じる歪みを排除する、初のハイブリッド地上宇宙観測所となる。提案の次のステップは、地球近傍軌道に直径100メートルの「RemoteOcculter」スターシェードを設置し、望遠鏡に影を落とすことだ。「周回するスターシェードは非常に難しいが、究極の太陽系外惑星観測システムになる可能性がある」とマザー氏は電子メールで述べた。「これを使えば、近くの恒星を周回する地球を1分間の露出で見ることができ、1時間後には地球のような水と酸素があるかどうかがわかるだろう」

これらのプロジェクトのどれが実行されるかについては、まだ何年も先の決定が下される。HabExとLUVOIRについては、1月11日に開催されるアメリカ天文学会のNASAタウンホールミーティングで方向性が示される可能性がある。ORCASとRemoteOcculterのミッション提案はまだ検討中だ。しかし、12月に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、コントラストの低い恒星シェードの助けを借りて撮影した画像をまもなく送信する。この望遠鏡は2022年半ばに本格運用を開始し、さらに強力なシェード投射機が登場するまでは、太陽系外惑星探査の新たなリーダーとなることが期待されている。

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