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SCIENTIFIC AMERICAN October 2010

Origami Observatory

ハッブルを超えて ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

By Robert Irion R. イリアン
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The mirror, a perfect hexagon of gunmetal gray, stands vertically on a low platform. It is about two inches thick and more than four feet wide, a precisely carved slab of beryllium that gleams in the low light of this optics laboratory near San Francisco Bay. My guide, chief engineer Jay Daniel, watches my footing as I step gingerly in front of the mirror to see my reflection. “It’s like your bathroom mirror,” Daniel says, chuckling. サンフランシスコ湾近くのある光学機器の会社の実験室。暗灰色の六角形の鏡が,薄明かりを受けて輝いている。厚さ約5cm,差し渡し120cm以上の,精妙に加工されたベリリウム製の鏡だ。鏡に映る自分の姿を見ようとおずおずと鏡の前に歩を進める私に,案内人の主任技師ダニエル(Jay Daniel)は笑いながら「お宅のバスルームの鏡みたいでしょ」と語りかけた。
The other side of this looking glass, though, is nothing like a household vanity. The slab of metal is mostly hollow, drilled out by machinists to leave an intricate triangular scaffold of narrow ribs. It is beautiful in its geometric precision, and I resist the urge to touch one of the knifelike edges. The polished front layer that remains, Daniel says, is a mere 2.5 millimeters thick. From its starting weight of 250 kilograms, the entire mirror now weighs just 21 kilos. That is light enough for a rocket to hoist 18 of them deep into space, where the curved mirrors will join as one to form the heart of the most audacious space observatory ever launched. だが,この鏡の裏面には,洗面所の鏡の裏側につけられている小物入れとはまったく違う,三角形が整然と並んだ幾何学模様が彫られている。コンピューター制御の加工機で三角形の穴をいくつもくり抜いて作ったものだ。削り残された部分はナイフの刃のように薄く,触ってみたいという誘惑に駆られるほどだ。
 ダニエルによると,鏡の表面の外層は厚さが2.5mmしかない。当初250kgもあった鏡材は,削り込んだ結果,わずか21kgにまで減量することに成功した。これだけ軽ければ,18枚の鏡をロケットで宇宙に打ち上げることができる。18枚の鏡は宇宙空間で1枚の鏡になって,宇宙天文台の顔になる。
That observatory, a $5-billion NASA mission (in partnership with the European and Canadian space agencies) called the James Webb Space Telescope, or JWST, is scheduled to carry on in 2014 as a successor to the iconic Hubble Space Telescope. ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として2014年に打ち上げが予定されているこの望遠鏡は,「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)」と呼ばれており,米航空宇宙局(NASA)が欧州宇宙機関(ESA)およびカナダ宇宙庁と共同で進める50億ドルの計画だ。
The Hubble has circled 570 kilometers above Earth since 1990, giving astronomers their sharpest views of galaxies in the distant universe and of the births and deaths of stars closer to home. Like the Hubble, the Webb promises stunning images of the cosmos, but with far more penetrating vision. Astronomers have designed it to stare back toward the beginning of the universe. It may spot the explosions of the first stars that arose after the big bang and reveal the origins of galaxies similar to our Milky Way. It also will look deeply into clouds of gas and dust, the wombs of gestating stars and their families of planets. ハッブル望遠鏡は570km上空を1990年から周回し,遠い宇宙の銀河を鮮明に映し出し,近くの恒星の誕生や死の現場を捉え,観測天文学を支えてきた。ウェッブ望遠鏡は,ハッブル望遠鏡同様,驚異の宇宙の美しい姿を見せてくれるだろう。しかも,ウェッブ望遠鏡はハッブル望遠鏡よりも“透視力”が高い。 ウェッブ望遠鏡は,そもそも宇宙の始まりに迫ることを目指して構想された。ビッグバン後の宇宙に最初に生まれた星の大爆発を観測できるかもしれないし,天の川銀河などの銀河の起源を明らかにできるかもしれない。また,ガスと塵の雲の中をのぞいて,恒星や惑星系が生まれる様子を探ることもできるだろう。
To meet these goals, the Webb will be radically different from its predecessor. Its lightweight mirror will span more than 6.5 meters, giving it six times the light-collecting power of the Hubble’s 2.4-meter-wide mirror. Coated with gold, the telescope’s 18 hexagonal panels will act as a uniform surface-a feat requiring them to align within one ten-thousandth the width of a human hair. NASA will hurl this honeycombed eye into a looping orbit far beyond the moon. Along the way, it will unfurl a giant sunshield, casting a frigid shadow in which the mercury will fall below 55 kelvins so the telescope can sense traces of light and warmth that have straggled across the universe for more than 13 billion years. これらの目標を達成するために,ウェッブ望遠鏡は従来の宇宙望遠鏡とは根本的に異なるものになる。その軽量化された鏡は差し渡し6.5mにおよび,口径2.4mのハッブル望遠鏡の7倍もの光を集めることができる。金で蒸着されたウェッブ望遠鏡の18枚の六角形の鏡は,1枚の鏡として機能するために,毛髪の1万分の1の精度で並べられる。とんでもない技術だ。
 NASAはこの蜂の巣構造の眼を,月よりはるかに遠い軌道に打ち上げる。旅の途中,巨大な日よけパネルが展開される。その日陰でウェッブ望遠鏡の温度は55K(ケルビン,-218℃)近くにまで下がり,130億年以上も昔の宇宙から届く光や熱を観測できるようになる。
All this involves unprecedented technical risks. Because of the telescope’s remote perch, no astronaut will be able to fix it if something goes wrong. Unlike with the Hubble, which has had several repairs and upgrades throughout the two decades it has been in operation, there will be no do-overs, no shuttle flight to correct an embarrassing optical flaw, no widget to get that pesky shield unstuck. What’s more, to get to its lonely orbit, the probe must first fold up to fit in the cramped cargo bay of an Ariane 5 rocket. Hitching that ride puts strict limits on the telescope’s weight and dimensions. The observatory must then deploy itself with balletic precision, a tortuous sequence that ends with two folded panels of mirror segments rising into place like the sides of a drop-leaf dining table. この計画は前例のない技術的リスクを伴う。ウェッブ望遠鏡の行き先があまりに遠いので,何らかのトラブルが発生した場合でも,宇宙飛行士が修理に行くことができない。20年におよぶ運用期間中に何度も修理や改善が行われたハッブル望遠鏡と違って,ウェッブ望遠鏡はやり直しがきかないのだ。光学系を調整するためにシャトルを飛ばすことも,日よけがうまく広がらなかった場合にそれを直す予備の仕掛けもない。
 さらにやっかいなことに,望遠鏡は,打ち上げロケットのアリアン5の荷物室に納まるように折りたたまねばならない。また,その重さとサイズに厳しい制限が課せられる。それだけでなく,宇宙空間に放出した後に,折りたたみ式のダイニングテーブルの両翼を広げるように,2カ所が蝶番でつなげられたセグメント鏡を精密に展開しなければならないのだ。
“I think of it as the origami telescope,” says Mark Clampin, the observatory project scientist at the NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md. “We have to unpack it, align it and have it work at the right temperature. It’s not designed to be serviced, so everything has to work on the day.” メリーランド州グリーンベルトのNASAゴダード宇宙飛行センターでウェッブ望遠鏡計画に携わる科学者クランパン(Mark Clampin)は,「ウェッブ望遠鏡はオリガミ望遠鏡だと考えている。望遠鏡を宇宙で展開して,位置を精密に合わせ,所定の温度で動作させなければならない。修理は想定していないので,まさに初日から正しく動作しなければならない」という。