メガプロジェクト
JWST – ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡
宇宙をより深く見る
いくつかのメガプロジェクトは、たとえばCERN粒子加速器の直径27キロメートルの円やDUNEの800マイルに及ぶニュートリノ実験のような巨大なインフラを伴います。
他のプロジェクトは、その規模ではなく、複雑さ、コスト、そして宇宙に対する理解を根本的に変える可能性があることからメガプロジェクトと呼ばれます。
その好例がジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）です。この赤外線光の宇宙望遠鏡は、これまでに作られた中で最も強力で最大です。望遠鏡は、1961年から1968年にかけてNASAの伝説的な管理者であったジェームズ・E・ウェッブにちなんで名付けられました。
出典: NASA
JWSTは非常に強力で、宇宙で最初に光り始めた星々を観測したり、潜在的に居住可能な系外惑星を見つけたりすることができます。そしてこれらの成果を得るために、科学者とエンジニアは望遠鏡が達成できる限界を押し広げるために驚異的な努力をしてきました。
なぜ望遠鏡を宇宙に置くのか？
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡について最初に理解すべきことは、なぜそもそも宇宙にある必要があるのかということです。結局のところ、複雑な機械を宇宙に持ち上げることは、地上で同じものを作るよりもはるかに困難です。
大気圏外に出ることで、望遠鏡は光害や大気の乱流、もちろん雲や天候パターンに妨げられない宇宙の姿を見ることができます。
これが、比較的小型のハッブル望遠鏡が地上望遠鏡に比べて非常に優れた性能を発揮した理由です。しかし、JWSTにとってはさらに重要です。この望遠鏡は可視光ではなく赤外線光を測定します。
地球大気中の水蒸気は赤外線放射を吸収します。地上の赤外線望遠鏡は、視認性を向上させるために高山や非常に乾燥した気候に設置されますが、それでも理想的とは言えず、観測できる範囲に固有の限界があります。
JWSTは、赤外線天文衛星（IRAS）、スピッツァー宇宙望遠鏡、広域赤外線探査機（WISE）に続く、最新かつ圧倒的に最も強力な宇宙赤外線望遠鏡です。
JWSTは2021年にフランス製アリアン5ロケットでフランス領ギアナから打ち上げられました。1か月後、地球から約150万キロメートル（93万マイル）離れた太陽-地球ラグランジュ点L2に到達しました。
ラグランジュ点は、地球の軌道上にないにもかかわらず、地球に対して一定の位置を保つ宇宙空間の地点です。現在、別のラグランジュ点（L1）はDSCOVR：深宇宙気候観測衛星によって利用されています。
出典: NOAA
JWSTの位置により、地球と太陽の方向でない限り、年間を通じてほぼすべての空の地点を観測できます。空の39％が常にWebbにとって観測可能です。
なぜ赤外線観測を使用するのか？
遠方の天体
宇宙の非常に遠い天体では、「赤方偏移」と呼ばれる現象が起こり、光が赤外線側へシフトします。そのため、宇宙の非常に深く（したがって非常に古い）部分の観測は、赤外線領域で行わざるを得ません。
出典: SciTech Daily
この現象のため、ハッブルは最初の銀河が形成された時点までしか遠くや過去を見ることができませんでした。赤外線で観測することで、JWSTは宇宙史の最初の星が形成された時点まで見ることができます。
系外惑星
赤外線観測には、系外惑星の分析に関してもう一つの利点があります。JWSTはコロナグラフと呼ばれるシステムを搭載します。これにより星からの光を遮断し、暗い小さな系外惑星などの周囲の天体をよりよく観測できます。
系外惑星の画像は、広大なパノラマではなく、ただの点になるでしょう。
出典: NASA
それでも、その点からの光は分光法という手法で分析でき、系外惑星の大気組成を知ることができます。赤外線波長では、系外惑星の大気中の分子が最も多くのスペクトル特徴を示すため、可視光を使用するよりもはるかに多くの情報が得られます。
この方法により、他の太陽系の惑星が水や二酸化炭素（CO₂）だけでなく、メタン、アンモニア、あるいは異星生命の兆候となり得る複雑な分子を持つかどうかも判定できます。
JWSTとハッブルの比較
観測能力に関して、JWSTは主に近赤外線光に焦点を当てていますが、オレンジや赤の可視光、そして使用する機器に応じて中赤外線領域も観測できます。
JWSTはハッブルの100分の1の明るさの天体を検出できます。また、多くの場合、ハッブルが最初に明らかにした天体を再び観測し、新たな洞察を得るために使用されます。
しかし、赤外線画像は波長が長いため、可視光に比べて本質的に鮮明さが劣ります。そのため、画像の解像度はハッブルと同等になるでしょう。
もう一つの違いは、JWSTは可視光を遮るガス雲を透過できる点です。したがって、イーグル星雲の有名な「創造の柱」の画像では、柱の内部や周囲に多くの星が見えるようになっています。
出典: Webb Telescope
JWSTの仕様
JWSTは6.5メートル（21フィート）の金メッキベリリウム一次鏡を搭載しており、18個の六角形ミラーで構成され、象徴的な外観を持ちます。
各ミラーは20kg（44ポンド）です。100ナノメートルの金コーティングは赤外線光を反射し、ガラスで覆われて耐久性が向上しています。これにより、光収集面積はハッブルの6倍になります。全体で金はわずか48.25g（1.7オンス）しか使用されていません。
出典: NASA
Webbはハッブルとは異なり、宇宙飛行士がサービスできないように設計されています。これは地球からの距離が遠いためです。その結果、重要なサブコンポーネントは二重化されており、例えば2つの近赤外線カメラがあるなど、長年にわたって耐久性が確保されています。
JWSTは少なくとも5年間の運用が見込まれ、目標は10年です。しかし、ラグランジュ点に留まるための推進剤は合計で20年分あり、主要部品が故障しなければそれ以上も稼働可能です。
JWSTの予算
総計でジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の費用は110億ドル以上に上り、NASAが当初見積もっていた金額の10倍以上です。この価格の急騰は2010年代にプロジェクトの実現可能性を脅かしました。当時の予算は「わずか」65億ドルに膨らんでいました。
当初2014年に打ち上げが計画されていましたが、最終的に7年遅れとなり、批判が増えました。
“問題の根本的な原因は、（プログラムの正式承認時である）2008年7月に、NASAがプロジェクト事務所から提示された予算が基本的に欠陥があったことです」と彼は午後の電話会議で記者に語った。
その予算には、当時プロジェクトがすでに把握していた内容すら含まれておらず、資金面から見ても作業を遂行するには不十分でした。
プロジェクトは設計・建造にほぼ20年を要しましたが、NASAの年間予算の3％を超えることはありませんでした。しかし、2003年から2021年にかけてNASA天体物理学部門の予算の3分の1を消費しました。
そして現在、JWSTは天文学史上最も印象的で成功したプログラムの一つとなり、これらの議論はほとんど忘れ去られつつあります。
JWSTの驚異的なエンジニアリング
重量を減らす
JWSTの設計者が最初に直面した問題は、巨大な鏡が重すぎることでした。ハッブルの設計を再利用すれば、宇宙へ打ち上げるには重すぎました。
そのため、強度と軽さを兼ね備えたベリリウムが選ばれました。また、深宇宙の極端な低温は、鏡の極めて正確な曲率を歪める可能性があります。
ベリリウムは極低温でも形状が変わらないため、適した素材です。そのため、鏡は「誤った」角度で製造され、宇宙の寒さ（-233°C/-388°F）にさらされると正しい最終形状に曲がります。
出典: JWST
各鏡は最終的に人間の髪の毛の厚さの1/10,000に相当する精度で合わせられます。
バックボーンには超軽量素材である複合材も採用され、さらなる重量削減が実現しました。
出典: NASA
折りたたむ
もう一つの大きな課題は、この設計で必要とされる鏡の極端なサイズが、利用可能なロケットに収まらないことでした。
そのため、構造部品（太陽シールドや鏡など）を部品ごとに展開することが早い段階で決定されました。効率的に折りたたみ、信頼性のある展開を実現することが課題でした。
NASAの科学者は折り紙、すなわち紙を折る日本の芸術からインスピレーションを得て、最終的に六角形の折り紙パターンを採用しました。
これはJWST設計チームにとって高リスクの決断であり、これほど複雑な展開はこれまでに行われたことがありませんでした。失敗すればプロジェクト全体が失敗に終わります。
この短いJWSTビデオで、展開が段階的にどのように行われたかを見ることができます：
サンシールド
望遠鏡は赤外線で対象を観測するため、太陽の熱から保護することは、鏡を軽く適切に展開することと同様に重要です。
JWSTのサンシールドは、5層の断熱により、望遠鏡の熱側と冷側の温度差をほぼ315°C/600°Fに保ちます。
サンシールドはテニスコートほどの大きさで、Kapton E（ポリイミドフィルム）の層にアルミニウムとドープシリコンコーティングが施され、太陽熱を宇宙に反射します。
通信
JWSTはデータを地球に送り、指示を受け取るためにNASAのディープスペースネットワークを利用します。これはカンベラ、マドリッド、ゴールドストーンにある地上局を経由します。
Webbは1日あたり少なくとも57.2ギガバイトの科学データをダウンリンクでき、最大データレートは28メガビット/秒です。
出典: Webb Telescope
その他のコンポーネント
望遠鏡の残りの部分も同様にハイテクで高性能です。いくつかの装置は特に注目に値します：
- Cryocooler：JWSTの中赤外線（MIRI）センサーは-266.15°C/-447°Fで動作する必要があり、宇宙空間の深部よりも低温です。そのため、機器を冷却する追加の冷却システムが必要となりました。
- Backplane：望遠鏡のバックボーンは2.4トン（5,300ポンド）で、鮮明な画像を撮るために必要な絶対的な静止位置を提供します。32ナノメートル（人間の髪の直径の1/10,000）まで安定するよう設計されています。
- Micro-shutters：248,000個の小さなドアからなるこのグリッドは個別に開閉でき、光の透過や遮断が可能です。これにより、JWSTは星や銀河の領域で数百の個別対象を同時に観測でき、同じ時間枠でより多くの観測を実行できます。
JWSTの成果
運用開始から数年しか経っていないにもかかわらず、JWSTは天文学者の宇宙理解を根本的に変えました。そのため、すべてを列挙するのはほぼ不可能ですが、いくつかのハイライトを紹介します。
新たに形成された炭素の拡散
JWSTは、私たちの銀河系内でわずか5,000光年離れた場所にある2つの星が炭素リッチな塵を生成していることを特定しました。これらの星の衝突する太陽風によって形成された同心球状の「シェル」が観測され、新たに形成された炭素が銀河全体に広がっています。
出典: Webb Telescope
各シェルは星から時速1,600マイル（2,600キロメートル）以上の速度で離れ、光速の約1％に相当します。この系では、観測装置が塵のシェルが年々拡大していることを示しています。
望遠鏡の中赤外線画像は、130年以上存続するシェルを検出しました。古いシェルは十分に拡散し、現在は検出が困難なほど暗くなっています。
太陽系の端にある活発な天体
JWSTは、海王星近傍にある氷の「セントール 29P/シュワスマン-ワックマン」からのガス噴出を検出しました。
新たに一酸化炭素（CO）のジェットと、これまで見られなかった二酸化炭素（CO2）ガスのジェットを発見し、天体の核の性質に新たな手がかりを提供しました。
出典: Webb Telescope
近隣系外惑星の画像
JWSTは、地球からわずか12光年離れた系外惑星エプシロン・インディ・Abの直接画像を取得しました。この惑星は木星の数倍の質量を持ち、太陽に似た星を周回しています。
これは直接検出された中で最も寒い系外惑星の一つで、平均温度は約2°C/35°Fと推定されています（参考までに、地球の平均温度は15°C（59°F）です）。
「寒い惑星は非常に暗く、放射の大部分は中赤外線にあります。
それはやや温かく、質量も大きいですが、これまでに画像化されたどの惑星よりも木星に似ています。」
形成中の惑星における複雑分子
オリオン星雲で光年1,350離れた星の周囲で形成中の原始惑星系円盤において、JWSTはメチルカチオン（CH3+）を検出しました。
一方、系外惑星K2-18 bはハイシアン系外惑星である可能性があり、水素に富んだ大気と水の海に覆われた表面を持つ可能性があります。
地球と海王星の間のサイズを持つK2-18 bのような系外惑星は、太陽系には存在しないタイプです。我々の発見は、他の場所での生命探査において多様な居住可能環境を考慮する重要性を強調しています。
JWSTはさらにいくつかの炭素化合物、さらにはジメチルスルフィドまで惑星の大気中で発見しました。
出典: NASA
JWSTは、太陽系外で初めてエタン（C2H6）だけでなく、エチレン（C2H4）、プロピン（C3H4）、メチルラジカルCH3も若い星の周囲で検出しました。
また、星の合体から生じた重元素の初検出を行い、史上2番目に明るいガンマ線バースト、あるいはキロノヴァを検出しました。JWSTの科学者は爆発後にテルルを検出しました。
これまでに検出された最も遠い（古代）ブラックホール
NASAのチャンドラX線観測衛星と組み合わせて、JWSTはビッグバンからわずか4億7,000万年後に成長中のブラックホールを検出しました。JWSTが銀河を見つけ、チャンドラがブラックホール自体を検出しました。
出典: NASA
これは、巨大なガス雲の崩壊から直接形成された『超大型ブラックホール』の初検出であると考えています。
初めて、超大質量ブラックホールが銀河内の星とほぼ同等の質量を持ち、成長する前の短い段階を観測しています。
JWSTの未来
系外惑星の発見と分析の後、JWSTは系外衛星の探索に取り組んでいます。これらの惑星体は、場合によっては地球より大きく存在すると考えられますが、検出できる感度を持つ機器はこれまでありませんでした。ガス巨星系外惑星は有力な候補です。
JWSTはまた、超大質量ブラックホールやクエーサー、光速で噴出する極端な物質を放出するブラックホールの極初期段階も調査します。
最後に、銀河や宇宙の大規模構造を非常に初期の段階で研究することで、長年科学者を悩ませてきた暗黒物質と暗黒エネルギーの本質に新たな洞察をもたらす可能性があります。
JWSTの主要民間請負業者
ノースロップ・グラマン・エアロスペース・システムズ
(NOC )
JWSTのようなプロジェクトはほぼ常に国際協力の結果です、このケースでは、NASA、ESA、カナダ宇宙局が参加しています。
また、多くの民間請負業者が関与しており、最も顕著なのは航空宇宙・防衛会社のノースロップ・グラマンです。
ノースロップ・グラマンは、象徴的なB-2ステルス戦略爆撃機の開発で最も有名で、1機あたりほぼ10億ドルの費用がかかります。この20年以上前の設計はB-21に置き換えられる予定で、現在開発中です。
同社は最先端のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の開発でも宇宙技術の最前線に立っています。収益の大部分は宇宙・航空システムから得ています。
出典: Northrop
もう一つの大きな部門はミッションシステム部門で、さまざまなセンサー、サイバー防御ソフトウェア、セキュア通信、C4ISR（指揮・制御・通信・コンピュータ・情報・監視・偵察）をカバーしています。
また、同社は小口径から誘導弾、大口径まで幅広い弾薬の主要メーカーでもあります。
ノースロップ・グラマンは、自律兵器システムの開発と配備により、先進的な武器の供給者としての地位を高めようとしています：
- X-47B、尾部のないストライクファイターサイズの無人航空機。
- ヘリコプタードローン Fire Scout。
- 監視ドローン Global Hawk と MQ-4C Triton。
- 海上ドローン Manta Ray と AQS-24B/C 探雷システム。
- Bat 無人航空機システム（UAS）、多任務、持続的、手頃な戦術無人航空機システム。
出典: Northrop
同社は直接エネルギー兵器（レーザー）、電子戦、対ドローンシステム、大陸間弾道ミサイルの開発の最前線にあります。
投資・財務の観点から、ノースロップ・グラマンは2014年以降、配当を年平均12％で増加させ、株式数を31％削減しました。その結果、2023年には配当と自社株買いで26億ドルを支出し、自由キャッシュフローは21億ドルを生み出しました。
ノースロップ・グラマンはほぼ米国防衛予算からの収益に依存しており、NASAは収益の3％、国際販売は12％を占めています。
出典: Northrop
RTXやロッキードのような企業が米空軍の主力（戦闘機、ミサイル、防空）を提供する中、ノースロップ・グラマンは宇宙から統合指揮、ステルス重爆撃機に至るまで、最も先進的な能力を提供しています。
そして、近い将来、先進的なドローン、電子戦、エネルギー兵器の重要な部分も担うでしょう。
ドローンと電子戦の重要性が高まる中、ノースロップは米国の攻撃的および防御的能力の中心的存在になると考えられます。また、新しいステルス爆撃機は、ロシアや中国といった同等の対抗勢力に対抗し、緊張が高まる中でペースを保つための重要な要素となるでしょう。
