数え切れないほどクレイジーでうまくいくかもしれないスキームのように、これは不満のセッションから始まりました。 2011 年の秋、ロベルト エイブラハムとピーター ヴァン ドックムは、トロントのネパール料理レストランで話し合っていました。カレーライスと大量のビールを飲みながら、古い友人たちは以前に何度も話し合った問題を嘆きました。
観測宇宙学者として、彼らは銀河がどのように生まれ、進化するかについて専門的な関心を共有しました。階層的な銀河形成として知られる主要な理論は、この成長を、小さなものから大きなものへ、単純なものから複雑なものへと、長いスケールアップとして説明しています。当初、ビッグバンからわずか数千年後、ほとんどすべての質量は暗黒物質でした。これは、通常の発光物質に対応する、神秘的で目に見えない対照物です。しかし、暗黒物質は初期の宇宙全体に均等に広がっていませんでした。すぐに、より密度の高いポケットが集まり始め、重力によってほぼ球形の束に凝縮されました。これらの「ダーク マター ハロー」が大きくなり、よりコンパクトになるにつれて、ガスがコアに集まり、最初の銀河である星に燃料を供給しました。何十億年にもわたって、銀河は衝突し、融合してますます大きなシステムになり、最終的には私たちの天の川のような輝かしい宇宙の巨獣を生み出しました.
しかし、この理論を検証することは容易ではありませんでした。モデル作成者は、実際の宇宙で観察された場合、物語を洗練させ、信憑性を与える銀河の構造と挙動に関する予測を絶えず吐き出していました.しかし、多くの場合、エイブラハムやヴァン・ドックムのような天文学者は、現在の望遠鏡を使用してモデルを支持することも反論することもできないことに気付きました. 「既存の技術をさらに推し進めることができなかったので、私たちは不満を感じていました」とイェール大学のヴァン ドックム教授は言います。
彼らはまた、天文学がいかに煩雑になったかにも不満を感じていました。現代の天文学プロジェクトは通常、大規模な問題であり、少額の財産、山のような事務処理、および多くの忍耐を必要とします。 「1,000 万ドルを獲得してチームを編成する方法を思い描く必要があります。それでも、10 年後に実現するかどうかはわかりません」と、トロント大学のエイブラハム教授は言います。
より良いアプローチが必要でした。会話が深まるにつれ、彼とヴァン・ドックムは、2 人の勇気ある宇宙論者が自分たちで攻撃できるかどうかについて考えました。彼らは、階層的な銀河形成の理論をテストする手っ取り早い方法を見つけることを夢見ていました。しかし、どのように?
すると、思いがけず、答えが徐々に出てきました。長年の予測によると、天の川のような大きな銀河は、放出された星、半分食べられたハロー、およびそれらを作成した激しい衝突のその他の残骸などの破片の広大で無秩序な領域にあるはずです。コンピュータモデルは、これらの銀河がかすかな結び目、バルジ、および物質の流れに囲まれていることを示しています。数百から数千のかすかな暗黒物質に富んだ「矮小」銀河がその周りを渦巻いています。エイブラハムが言ったように、「すべての銀河は押しつぶされた虫のように見えるべきです。」
しかし、現在の望遠鏡で見ると、銀河は滑らかで対称的で、古典的な渦巻きと楕円形に見えます。これは、銀河の進化に関する宇宙論者の理論が間違っていることを示唆している可能性があります。しかし、Abraham と van Dokkum は、通常の望遠鏡では、銀河の明るい中心を超えて渦を巻くぼんやりとした散在する瓦礫を単純に検出できない可能性が高いと推測しています。
問題は望遠鏡のサイズの問題ではありません。ますます大きくなる鏡により、天文学者は、初期宇宙からの非常にかすかな光のピンポイントを無視して、空間と時間をますます深く覗き込むことができるようになりました。しかし、研究者が近くの銀河の周りのハローなど、空の大きな見本に広がる拡散物質を調査しようとすると、問題が発生します。ミラーの反射面の小さな不規則性が入射光を散乱させ、実際のデータを覆い隠すゴーストやその他のアーティファクトで画像を汚染します。
突然、別のビールを飲み干したヴァン・ドックムは、この苦境から抜け出す方法を知っているかもしれないことに気づきました。彼は野生動物の写真を趣味としており (最近、トンボの写真集を出版しました)、カメラのトレンドについていくようにしていました。 「私はこれらの素晴らしい新しい望遠レンズについて聞いていました」と彼は言います。日本の光学会社キャノンは、ナノサイズのコーンの独自のフィルムでコーティングされたハイエンドレンズの生産を開始しました。キャノンは、カメラの検出器から誤った光をそらすことによって、円錐が効果的に散乱の影響を排除したと主張しました。写真家は鮮明で実物そっくりの画像を取得できるようになりました。ゴーストやフレアはもうありません。
ヴァン・ドックムは声に出して疑問に思いました:彼とアブラハムが宇宙でこのようなレンズを向けたらどうなるでしょうか?彼らは、宇宙学者が長い間探し求めてきた、銀河を取り巻く繊細で影のような構造を最終的に検出するでしょうか?
口径 14 cm の Canon レンズ 1 枚ではあまり明らかになりません。宇宙論者が見たいと思っていた種類の薄暗い天体を識別するのに十分な光を集めるだけでも、毎晩何週間も露出する必要がありました。そして、それは完璧な天気と技術的な問題がないことを前提としていました.しかし、レンズを追加したらどうなるでしょうか。トンボの複眼のように、複数のレンズを通して銀河を同時に撮像することで、誤差を補正しながら、より暗い構造を短時間で捉えることができます。
「私にとって、会話全体はどういうわけか理論的なものでした」と van Dokkum は回想します。 「しかし、ボブは『ほら、やってみませんか？たとえば、実際にそれを構築しますか?」
彼らは自分たちの創造物をトンボと呼んでいました。
数か月のうちに、エイブラハムとヴァン ドックムは研究資金として約 15,000 ドルをかき集め、新しいキャノン レンズの 1 つとそれに付随する機器を購入しました。 2012 年 3 月、彼らはそれをテストするために、ケベック州のモンメガンティック ダーク スカイ保護区まで運転しました。ナノコーンのコーティングは、キヤノンが主張したほど革新的であることが証明されるでしょうか?
アマチュアのスターゲイザーでいっぱいの雪に覆われた駐車場で、レンズをカメラに取り付け、三脚に取り付け、M51 として知られる渦巻銀河に小さな望遠鏡を向けました。 1700 年代後半に初めて観測された M51 は、何世紀にもわたって熱心に研究され、撮影されてきました。しかし、2 時間の露出の後、キャノンのレンズは、科学者が以前にヒントを収集しただけだった光景を捉えました。M51 の明るい中央渦巻きをはるかに超えて広がっているのは、拡散物質の明確なハローでした。 「私たちはすぐに、このレンズが期待どおりに優れていることに気付きました」と van Dokkum 氏は言います。
Dragonflyを構築するために、さらに2つのレンズとその他の既製の部品を調達するための資金を調達するのに、さらに数か月かかりました.それぞれのレンズをデジタル カメラとフォーカサーとペアリングし、すべてを Mac mini に配線しました。 (再起動を最小限に抑えるために、各レンズは、マスター コンピューターとワイヤレスで通信する独自のサム ドライブ サイズのコントローラーを介して動作するようになりました。) 彼らはレンズを保護用の金属シリンダーに入れ、それをカスタムメイドのマウントにボルトで固定しました。トンボの目はすべて、空の同じ場所を指します。 Abraham は、3 つのほぼ同一のスナップショットを 1 つのイメージに結合するソフトウェアを作成しました。
2012 年 9 月、彼らはニュー メキシコ州南部の望遠鏡をホストする場所に Dragonfly を出荷しました。 「私たちは文字通り、機器を Fed-Exed し、フライトを予約し、その月が終わる前にセットアップしました」と van Dokkum 氏は言います。
出身大学に戻ると、気まぐれに、インターネット経由で Dragonfly を制御できました。安らぎと自由は爽快でした。 「今夜、土星を観測したいと決めたら、それを実行できます」と van Dokkum は言います。 「これほどの創造性と柔軟性は [天文学では] 非常にまれです。」
2013 年までに、Dragonfly を 8 つのレンズにアップグレードし、2014 年に最初の重要な発見を発表しました。エール大学の大学院生であるアリソン・メリットと一緒に、彼らはM101、または風車銀河として知られる大きな渦巻銀河を撮影しました。その周囲のフィールドで、彼らはこれまで誰も見たことのない 7 つの矮小銀河を特定しました。しかし、データを分析したところ、M101 を周回していたのはこれらの矮星のうち 3 つだけだったことがわかりました。モデルは数百を予測しました。残りはどこにありましたか?
M101 の衛星の多くは、Dragonfly が見るには暗すぎる可能性があります。星をまったく持たない「裸の」ハローが銀河系を周回している可能性もあります。しかし、エイブラハムとヴァン・ドックムは、より明るい矮星が少ないのは奇妙だと言う。 「トンボがこれらの衛星を見つけられない場合は、階層的な銀河形成の理論が完全に間違っているか、星の形成を妨げたり破壊したりする物理学が存在します」とエイブラハムは言います。 「後者だと思います。自然には、星を取り除く驚くべき方法や、そもそも星が形成されないようにする驚くべき方法があります。」
矮小衛星に加えて、研究者はM101の周りに瓦礫のハローが見えると予想しました。彼らは、トンボがそれを検出するのに十分な感度を持っていることを知っていました.しかし、望遠鏡は何も明らかにしませんでした - ハローは著しく欠けていました。世間を騒がせている天文学者たちはその事実をどう見ているでしょうか。 「それほど多くはありません」とヴァン・ドックムは言います。 「1 つのオブジェクトに基づく理論のクラス全体を除外することはできません。」
M101 の調査結果により、彼らは体系的な調査を開始することを確信しました。彼らは 3 年間で 20 から 30 の銀河を画像化するための助成金を得て、トロント大学の別の大学院生、Jielai Zhang を募集しました。 (彼らは 2017 年までに最初の結果を公開する予定です。)
その間、Dragonfly は 10 レンズ、24 レンズ、すぐに 48 レンズ (さらに 2 つのガイディング レンズ) に成長しました。 「50 [レンズ] で、事実上世界最大の実用的な屈折望遠鏡です」と Abraham は言います。アップグレードにより、イメージの作成にかかる時間が数週間から数時間に大幅に短縮されました。望遠鏡は技術的にはまだプロトタイプですが、既知の宇宙のオブジェクトのカタログをすでに拡張しています.
たとえば、最近、エイブラハムとヴァン ドックムは、地球から 3 億光年離れた銀河の密集した集合体であるコマ座銀河団を撮影するために、銀河の調査を中断しました。科学者たちを驚かせたのは、肖像画から奇妙なほど薄暗い数十の巨大な銀河が明らかになったことです。天の川と同じ大きさのこれらの「超拡散」銀河は、その光の約 1000 分の 1 しか放出しません。
現在のモデルでは、そのような銀河は存在すべきではないとされています。しかし、ここに彼らがいたのです。 「それらは多くの暗黒物質によってまとめられているに違いありません」とヴァン・ドックムは言います。 「さもなければ、彼らはすぐにバラバラになってしまうでしょう。」
この発見に触発されて、ニューヨークのストーニーブルック大学の天文学者である幸田仁と彼の同僚は、ハワイのマウナケア山頂にある強力なすばる望遠鏡によって撮影されたコーマのアーカイブ画像を熟読しました。 Dragonfly のデータをガイドとして使用することで、以前は見過ごされていた、またはアーティファクトとして片付けられていた超拡散銀河の例がさらに何百も見つかりました。 「大きな散光銀河が存在しないことは誰もが知っていました」と van Dokkum は言います。 「だから彼らは自分たちを探すなんて考えもしなかった」
Abraham の見解では、Dragonfly はより深い研究への「一種のパスファインダー」です。 「この小さな望遠鏡は、これらの検出が困難なものを見つけるのに非常に優れていますが、それらを本当に理解するには、ハワイまたは宇宙にある大きな望遠鏡が必要です。」散乱は、大きな反射体がハローや矮小銀河のような拡散構造を明らかにするのを妨げるかもしれません.しかし、トンボがそれらを発見すると、天文学者はこれらの大きな鏡を使用して特定のオブジェクトにズームインし、より詳細に研究できるようになります.
Dragonfly は、愛好家やプロの天文学者の間でエイブラハムとヴァン ドックムをマイナーな有名人にしました。彼らの同僚は、彼らの創意工夫と初期の成功を称賛しています。オーストラリアのシドニー天文学研究所所長である Joss Bland-Hawthorn は、次のように述べています。彼はまた、Dragonfly の発明者たちが宇宙論を行うという官僚的な負担から逃れられたことを高く評価しています。 「何か新しいものを探求し、自分の運命を手にすることほどスリリングなことはありません」と彼は言います。
ハーバード大学の天文学者アヴィ・ローブも同意見だ。彼は、彼のグループの最新の理論論文の 1 つを発表したことについて、Dragonfly の功績を認めています。 2015 年の初めに、彼と共著者は、銀河団の「周辺」で輝くガスの放出を予測する進化モデルを開発しました。しかし、彼らの計算によれば、これらの放射は暗すぎて既存の望遠鏡を使って観測することはできませんでした。彼らの予測を検証する手段がなかったため、彼らはそれを公開する価値がないと判断しました.
その後、幸運なことに、彼らはハーバード大学のコロキウムに出席し、エイブラハムはトンボからの最初の発見のいくつかを発表しました。 「Dragonfly は、方程式で予測した正確な輝きを検出できることがわかりました」と Loeb 氏は言います。彼らは興奮して論文を提出し、今月公開されました。
Abraham と van Dokkum は、Dragonfly がどれだけ大きくなるか、どれくらい見えるようになるか、まだ言えません。これまでのところ、最大 24 枚のレンズ (50 枚のレンズへのアップグレードはまだ完了していません) で、従来の望遠鏡が明確に解像できる拡散反射光の約 10 分の 1 の物体を検出することができました。理論的には、より多くのレンズがより暗いものを明らかにするはずです.しかし、限界があるかもしれません。トンボのレンズの屈折率や、銀河巻雲として知られるかすかな宇宙光汚染の存在などの要因により、望遠鏡の能力に厳しい上限が設けられる可能性があります。
「50 [レンズ] を超えることができるかどうかは不明です」と van Dokkum 氏は言います。 「それはまた、私たちがどれだけ大きくなりたいかによっても少し異なります。 500 個のレンズが必要な場合は、はるかに大規模な操作が必要になり、私たちの生活を支配し始めます。そして、新しい楽しいプロジェクトを探し回る必要がありました。」
Patchen Barss は、トロントを拠点とする科学ジャーナリスト兼作家です。
