暗く晴れた夜、燃える星がハワイのマウナケアに影を落とすとき、天文学者のオリビエ・ギヨンは作業台とコンピューター画面から離れ、巨大な 8 メートルのすばる望遠鏡の外に出て、天空を眺めます。ギヨンが天体観測の習慣を始めたのは、彼が最初に天文学者になることを決心したのとほぼ同じ時期でした。フランス北東部の田舎の少年時代でした。 17 歳のとき、彼は最初の望遠鏡を作りました。これは、現在も時折使用している 0.5 メートルのドブソニアンです。ギヨンは大学で天体観測を続け、その後パリ大学で大学院に進み、ハワイ大学で博士号を取得しましたが、30 代後半になり、黒髪の端に銀色のウェーブがかかった今日、彼はめったに時間を割くことができません。 .彼は空を一瞥し、目を大きくし、しばらくの間、再び少年のように見え、初めて星に打たれたように見えた後、視線を下げて中に戻り、再び成熟した天文学者になりました。カジュアルな星空観察。
天文学者として、ガイヨンの地球へのつながりは常に希薄でしたが、彼がハワイのすばる望遠鏡と彼が教授を務めるツーソンのアリゾナ大学の間で時間を割くようになって以来、それはますますむき出しになっています。数週間、彼は地上よりも空中で多くの時間を過ごし、太平洋を行き来しています。彼が時差ぼけになったとしても、彼はそれを十分に隠し、彼の雇用主は彼の仕事が非常に価値があると考えており、トランジットの費用やトラブルについて文句を言うことはありません.海の両側にいる同僚は、彼がハワイアン シャツを着て気さくな笑みを浮かべていること、そして無口でおしゃべりな彼の好奇心旺盛な傾向を知っています。天気についての会話を始めると、Guyon は単音節になりがちですが、彼の仕事を掘り下げると、彼のフランス語訛りの言葉が、川床に沿って転がる水で磨かれた小石のように、だらしなく連続して流れ始めます。
2012 年のマッカーサー財団とのインタビューで、50 万ドルの「天才」フェローシップの 1 つを彼に授与した後、ギヨンは特徴的に「夜空を見ると、見えるすべての星が別の太陽である」と噴出しました。彼の大文字は暗示的であり、頭上できらめく恒星の各点が、私たち自身の太陽のように、惑星の群れの光と熱の軌跡であり、まだ垣間見えずに周回しているという深遠な現実を伝えるための敬語です。今日まで、天文学者は太陽系外に約 12 個の惑星を直接画像化しただけであり、それぞれが大きすぎて温度が低すぎて、地球によく似ていなかったり、私たちが知っている生命を維持したりできません。まだ目に見えていない数十億の惑星のうち、いくつかはおそらく地球と非常によく似ており、恒星の「ハビタブル ゾーン」を周回している可能性があります。これは、私たちが知っているように生命にとって暑すぎず寒すぎない星周領域です。
私たちがこれらの世界をまだ見ていないのは、私たちのような惑星が非常に暗く、はるかに明るく大きな親星に非常に近いためです.近くの星の代表的なサンプルの周りでそれらをイメージングして調査するには、非常に大きな宇宙望遠鏡が必要になる可能性が高いと考えられています。これは、おそらく直径8メートルの集光開口部を持ち、地球の歪んだ大気の上空にあります。そのような望遠鏡の費用がいくらかかるかは誰にもはっきりとは言えませんが、一般的な推定では 50 億ドル、さらには 100 億ドルでさえ、そのようなプロジェクトは楽観的に言えば 2030 年代まで宇宙機関のバックバーナーに置かれました.
彼らの前のすばるやアリゾナ大学のように、マッカーサー派が電話に出たのは、ギヨンが光学科学のゆっくりと煮えたぎる革命の最前線にいるからです。この革命は、およそ半分のサイズの宇宙望遠鏡を使用して、これらの隠された世界のいくつかを明らかにする可能性があります。希望、半分のコスト。実際、近隣の星の大部分がハビタブル ゾーンに岩石惑星を抱えている場合、Guyon の研究はさらに低コストへの道を提供し、次世代の超大型地上望遠鏡を可能にする可能性があります 最も近い候補のいくつかをイメージし、居住可能性と生命の兆候についてそれらを研究します。
「私の目標は、これを行うのに何十年もかかる必要はないことを皆に示すことです」とギヨンは言います。 「私たちは実際に、居住可能な可能性のあるいくつかの惑星をかなり早く画像化して研究することができます。この可能性を実現するための技術と計画に取り組んでいく必要があります。」
ニューヨーク市の屋上に腰掛け、ロサンゼルスの街灯の横で羽ばたくブヨを望遠鏡でのぞき込んでいる自分を想像できれば、100 億倍も明るいまぶしさを背景に鏡の地球を垣間見ることの難しさを理解できるかもしれません。エイリアンの太陽である幅百万キロメートルの火球の。この 100 億対 1 のコントラスト比は、惑星の光の 1 つの光子だけを捉えることは、世界の秘密を教えてくれる 1 人の人物を探して、地球の全人口をふるいにかけるようなものです。鏡の地球は非常に暗いため、遠く離れた土地、海、空から反射されたすべての光子を何らかの方法で捉えることができたとしても、それらは非常に断続的に望遠鏡に到達するため、あなたの指。結果として得られる画像は印象的ではありませんが、惑星の光の未解決のドットですが、半球スケールの表面の特徴をマッピングし、世界の大気組成を研究するために使用することができます.
そのため、天国からのマナのような星の光を頼りに生きている他の天文学者とは異なり、ギヨンは容赦なく星の光を抑えようとし、星の光を精巧な視覚的暴力で消滅させて、付随する惑星が見えるようにします。彼が選んだ武器はコロナグラフと呼ばれるもので、これは望遠鏡に組み込まれた装置で、親指で空の太陽を消し去るのとほぼ同じ方法で、ターゲットの星の光を遮ります。あなたの目。数百万対 1 のコントラスト比が可能な比較的単純なコロナグラフが 1930 年代から利用可能になりましたが、ミラー アースの探索がこの 10 年間で本格的に始まると、楽器奏者はより野心的で要求の厳しい多くの設計を考案し始めました。
100 億対 1 のコントラスト比を達成するためにコロナグラフを作成することは、かなり非現実的な追求です。他の星を周回する小さな惑星のスナップショットを撮る以外に、これほど極端なコントラストに到達する必要がある他のアプリケーションはまだ考えられていません。そのための技術的能力を開発することは、純粋に好奇心を満足させる問題です。商業的な考慮事項から解放されたコロナグラフィーの最前線は、光の時代を超越した純粋さと物質の儚い腐敗との間の和解を求める、少し形而上学的で、ほとんどグノーシス的な探求と見なすことができます。
コロナグラフの内部では、光は実際には、予想されるような光子の粒子シャワーとして振る舞うことはありません。代わりに、それは流体のように機能し、ミラーやその他の光学部品を横切って、その周りをウェーブレットで回折し、流れます。ビームの完成度が、それらの構成要素の形状や位置にある原子スケールの欠陥さえ満たすと、光は散乱してその軌道をシフトし、望遠鏡の他の場所に漏れ出します。漂遊光子が世界を探索するセンサーに飛び散ることがあまりにも多く、結果として得られる画像は、正当な惑星の光を覆い隠したり偽装したりする可能性のあるきらめく斑点で汚染されます。完璧な平面の鏡でさえ、無敵ではありません。完璧な表面を滑らかに伝播する星の光は、鏡の端に到達すると回折し、少なくとも薄暗い惑星と同じくらい明るいきらめくリングのパターンに積み重なっていきます。
時間が経つにつれて、天文学者は、星の光のビームがエッジに遭遇するのをまったく防ぐことによって、これらの回折リングと戦うことを学びました.回折リングを抑制する最も簡単で最も一般的な方法の 1 つは、「アポダイゼーション」と呼ばれるプロセスです。これは、何らかの方法でビームの周囲を中心よりも暗くし、回折に対する暗さの絶縁バリアを形成することを含みます。初期のアポダイズされた惑星探査コロナグラフは、鏡の中心から不透明になるまで暗くなるグラデーションをスプレー塗装するか、コンピューターで生成されたパターンでカスタムカットされた不透明なオーバーレイで鏡の端をマスキングするだけでした。これらの設計のいくつかは、紙の上や基本的な実験室でのテストでは、鏡の地球をイメージするのに十分に機能しましたが、最終的なイメージの解像度を低下させ、星や付随する惑星からの大量の光を同様に捨ててしまうなど、すべて比較的非効率的でした.さらに悪いことに、太陽のような星の近くにある星の光を十分に抑えて、ハビタブル ゾーンにあるものを確認するには、コロナグラフを使用する宇宙望遠鏡には、直径数メートル程度の非常に大きくて非常に高価な鏡が必要になります。
2002 年の夏の終わり頃、ガイヨンは博士号を取得したばかりで、惑星を直接画像化するための複数の方法を研究していました。彼はブリティッシュ コロンビア州ビクトリアにある天文台を訪れ、同僚の多くがまだ寝ている静かな霧の朝に鉛筆と紙で落書きをしていました。 「[これらの設計] がいかに非効率的であったかを考えたのを覚えています。また、光をビームの端で捨てるのではなく、ビームの中心に集中させることで、何らかの方法で光を動かして、同じアポダイゼーション効果を達成できないかと考えたのを覚えています。」彼は思い出します。ガイヨンは、鏡の縁を隠してビームを形成するために使用できる同心リングのセットを描き始めました。彼がリングをつなぎ合わせて連続面をスケッチし始めたとき、突破口が訪れました。回折パターンを最小限に抑えるために平面ミラーのエッジをマスクする代わりに、ミラー自体を幾何学的に彫刻することで、マスクをまったく使用せずに同じことを達成できることに気付きました。天文学者はすでにこの概念を電波望遠鏡で使用しており、Guyon は知らなかったが、光学科学者は最近、同様の非球面ミラーを考案してレーザー ビームの形状を変更していた。ギヨンの突破口は、惑星の画像化の問題に対する理想的な解決策としてこの技術を提案し、開発したことでした。
その結果、奇妙な非球面形状のペアが生まれました。それぞれの形状は、中央が緩やかに湾曲し、端が平らになっています。ギヨンは、星の光のビームがゴム片のように引き伸ばされ、それらの間で跳ね返り、その中心で集中し、平坦性と曲率の相互作用によってその端で薄められる様子を想像しました。結果として生じるビームは、可能な限り多くの惑星の光を保持しながら、アポダイゼーションされ、惑星を圧倒するリングがなくなるだろうと彼は推測した.アポダイズされたビームをレンズで集束させると、中心の星の光がさらにシャープになり、単純な不透明なディスクでブロックできる小さな点になり、ビームのぼやけたエッジに潜む微かな惑星の光子が無傷で流れて検出器に衝突することができます。この高いスループットと解像度の組み合わせは、ガイヨンのコロナグラフを使用した惑星探査望遠鏡が、優れた性能を提供しながら、他の多くの設計よりも小型で安価になる可能性があることを意味しました。近くの星の周りの地球の有用な画像を生成するのに何時間も何日もかかる代わりに、Guyon の方法は数分以内に同等の画像を取得するかもしれません.
2003 年の論文で彼の設計を説明した後、その後の研究で、Guyon と何人かの共同研究者はミラーだけでなくレンズにも同じ技術を適用し、必要な非球面形状を記述する方程式を導出し、将来の惑星探査望遠鏡で彼のコロナグラフ設計を使用することを提案しました。他の 2 人の研究者、Wesley Traub と Robert Vanderbei は、新しいアポダイゼーション アプローチの潜在的に致命的な欠陥を発見し、修正しました。 Guyon はこれを Phase-Induced Amplitude Apodization、略して PIAA (PEE-AY と発音) と名付けました。 (光学物理学の達人であるだけでなく、Guyon は、彼の作品に不格好な頭字語を考案する奇妙な傾向もあります。)
まったく新しい種類のコロナグラフの発明は、光学科学ではまれな出来事であり、PIAA の前例のない星の光の操作は、実験と設計のまったく新しい領域を切り開きました。やがて、NASA の研究センターやその他の機関は、数種類の PIAA コロナグラフの実験室での性能を精査し、安価に星の光を抑える可能性をテストしました。 「覚えておくべき重要なことは、コロナグラフを最適化することで、非常にコストのかかる望遠鏡の口径や鏡のサイズを大きくするよりも、支出した 1 ドルあたりの科学をはるかに迅速に獲得できるということです」と Guyon 氏は言います。
ある講演で、Guyon は、同心円状の波紋に囲まれた水たまりに飛び散る石のように見える、非常にピクセル化された画像を見せてくれました。石と波紋は、実際には、NASA のジェット推進研究所の真空チャンバー内で PIAA コロナグラフで数億倍に抑制された、人工光源からのまぶしくなったまぶしさです。合成星と最も内側の波紋に隣接してボイドが迫り、99.99999999% の光が除去された 100 億対 1 の深い影の暗いパッチであり、まさに太陽に似た本物の星が鏡の地球を宿している可能性があります。 「ここで本物の星を見ていて、この地域に小さな岩石の惑星があったとしたら、PIAA のおかげで、本質的にその惑星のすべての光を受け取り、望遠鏡が許すのと同じくらい鮮明に見ることができます」と Guyon は言います。
この簡素化されたラボ シミュレーションは、実際の宇宙ベースの機器が鏡面地球を撮像するために必要とする性能と同様の性能を提供します。残念ながら、そのような楽器を作るための資金は簡単に手に入るものではありません。 PIAA の技術開発は 2000 年代半ばに急速に進んでおり、宇宙科学の主要な資金提供者である NASA が、低効率で動作し大きなミラーを必要とする古いコロナグラフを必要とするベースライン設計を使用して惑星イメージング ミッションを研究していたちょうどその頃でした。 .しかし、国際宇宙ステーションの完成、老朽化したスペースシャトルに取って代わる新しいロケット群の建造、予算超過で予定より遅れている次世代のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げなどの任務も課せられており、機関は、大規模な惑星画像観測所は手が届かず、2006 年にプロジェクトは無期限に保留されました。
惑星探査コロナグラフは、2013 年に NASA で新たな命を吹き込まれました。NASA は、この 10 年間の終わり頃に打ち上げが予定されているはるかに安価で小型の 2.4 メートルの宇宙望遠鏡である WFIRST ミッションに 1 つを搭載することを決定しました。 NASA は、能力は劣るがより成熟した初期のコロナグラフ デザインをミッションに装備することを選択しましたが、Guyon の仕事に敬意を表して、彼の PIAA コンセプトをバックアップとして選択しました。一方、Guyon は、8.2 メートルのすばる望遠鏡に取り付けられた技術デモンストレーターを含む、地上の望遠鏡と統合することにより、PIAA の基礎を宇宙に築くために取り組んでいます。
Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics の略である SCExAO (SKEX-ay-OH) と呼ばれるこの装置は、太陽のような星の周りにある木星のような惑星の写真や、太陽の重力によって削られた星周デブリ ディスクの画像をすぐに提供するはずです。土星サイズの世界。しかし、直径 30 メートルの集光ミラーの裏側にボルトで固定された SCExAO の強化バージョンは、はるかに多くのことができます。このような鏡は、次の 10 年の初めに登場する予定であり、ガイヨンは、PIAA コロナグラフが、近くにある少数の「赤色矮星」星 (太陽よりも小さく、温度が低く、暗い星) のハビタブル ゾーンにある岩石惑星のスナップショットを提供できると考えています。 .
「私たちの太陽系に最も近い星はプロキシマ ケンタウリで、このタイプです」とギヨンは言います。 「プロキシマ・ケンタウリの周りに地球を置くと、惑星と星のコントラストは、私たち自身の太陽の周りの地球の場合よりも一桁小さくなります。より大きな課題は、居住可能であるためには、惑星がこの小さな星に非常に近くなければならないということであり、PIAAコロナグラフは、そのために必要な場所を近くで見るのに役立ちます.これらは、今後 10 年間に地上から画像化される可能性のある居住可能な惑星の一種です。」
それ以上に、Guyon の最終的な動機は十分に明確です。 「もしかすると、遠い将来、地球を思い起こさせる惑星の画像が解像されるかもしれません。なぜだめですか？これが、私がこれに取り組むことに本当に興奮していることです。」
フリーライターのリー・ビリングスはの著者です 50 億年の孤独:星々の間の生命の探索.
